DE102022102009A1

DE102022102009A1 - Spektralsensormodul

Info

Publication number: DE102022102009A1
Application number: DE102022102009.6A
Authority: DE
Inventors: Jakub Raczkowski; Ward van der Tempel; Ruben Lieten; Jonathan Borremans; Maarten De Bock; Peter van Wesemael; Michael Jacobs; George Evangelopoulos; Adonis Reyes; Robbe van Beers
Original assignee: Spectricity
Current assignee: Spectricity
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2022-08-04
Also published as: US20220244104A1; CN114812813A

Abstract

Ein Sensorsystem stellt eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, die in einer Schicht angeordnet sind, und eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, die in einer Schicht angeordnet sind, bereit, wobei die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern nahe der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren angeordnet ist, und wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, so dass zumindest einige optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet sind, Licht in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich durchzulassen. Das Sensorsystem stellt einen oder mehrere Sperrfilter, die als eine Schicht ausgebildet sind, und einen ersten Satz von optischen Elementen bereit, wobei der eine oder die mehreren Sperrfilter und der erste Satz von optischen Elementen in einem Stapel angeordnet sind, der über der oberen Schicht der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern angeordnet ist. Das Sensorsystem umfasst ein oder mehrere Verarbeitungsmodule, die dazu eingerichtet sind, eine Ausgabe von jedem optischen Sensor der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren zu empfangen und eine Spektralantwort basierend auf der Ausgabe zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein spektrophotometrische Messungen und insbesondere Spektralsensormodule.
Spektralsensoren werden verwendet, um spektrale Informationen über ein Objekt oder ein Bildmotiv („Szene“, „scene“) zu gewinnen. Mittels Spektralmessung wird einfallendes Licht von einem Objekt oder einem Bildmotiv erfasst und spektrale Informationen extrahiert. Die Spektralmessung kann spektrale Informationen von dem Objekt, wie beispielsweise von einem einzelnen Punkt oder von einem Bereich des Objekts oder Bildmotivs, erfassen. Räumliche Informationen können ebenfalls gewonnen werden, so dass die spektralen Informationen auch räumlich aufgelöst werden können. Bei einer Spektralmessung wird einfallendes Licht, das mit einem Spektrum von Wellenlängen in Zusammenhang steht, detektiert. Die Spektralmessung kann beispielsweise bei der Analyse von Objekten verwendet werden, wie etwa zur Bestimmung, ob eine Substanz mit einem bestimmten spektralen Profil im Objekt vorhanden ist.
Die Begriffe Multispektralmessung und Hyperspektralmessung werden verwendet, um Spektralmessungen zu klassifizieren. Diese Begriffe haben keine feststehenden Definitionen, aber typischerweise bezeichnet Multispektralmessung eine Spektralmessung unter Verwendung einer Vielzahl von diskreten Wellenlängenbändern, wohingegen Hyperspektralmessung eine Messung schmaler spektraler Wellenlängenbänder über einen kontinuierlichen Spektralbereich bezeichnet.
Spektralmessung kann durch dedizierte Vorrichtungen zum Gewinnen von Spektralgehalt, die als Spektrophotometer (Spektrometer) bezeichnet werden, durchgeführt werden. Spektrometer und die einzelnen Elemente, aus denen Spektrometer gebildet sind, können verschiedene Formfaktoren annehmen, abhängig von der Anwendung, für die das Spektrometer ausgelegt ist, zusammen mit zugehörigen technischen Elementen.
Figurenliste

1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung;
2A-2D zeigen seitliche Querschnittsansichten von beispielhaften Sensormodulen gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein lichtempfindliches Element, das mehrere Verarmungsbereiche aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein weiteres lichtempfindliches Element, das mehrere Verarmungsbereiche aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Filter- und Sensorarrays gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Darstellung eines beispielhaften Transmissionsspektrums im SWIR-Band.
7A zeigt eine Seitenansicht einer Bilderfassungsvorrichtung zum Detektieren von SWIR-Wellenlängen gemäß der vorliegenden Erfindung;
7B zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Bilderfassungsvorrichtung zum Detektieren von SWIR-Wellenlängen gemäß der vorliegenden Erfindung;
7C zeigt eine Seitenansicht einer Bilderfassungsvorrichtung zum Detektieren sowohl von SWIR-Wellenlängen als auch von Wellenlängen von sichtbarem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung;
8A zeigt eine seitliche Explosionsdarstellung von Interferenzfiltern gemäß der vorliegenden Erfindung, die verwendet werden, um periodische schwarze Pixel auf einem Sensorarray bereitzustellen;
8B-8E zeigen das Verfahren zum Ausbilden eines Doppel-Bragg-Stapel-Spiegels gemäß der vorliegenden Erfindung;
9A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Filter- und Sensorarrays gemäß der vorliegenden Erfindung;
9B zeigt eine weitere seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Filter- und Sensorarrays gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine Darstellung der Spektralantwort eines Fabry-Perot-Interferenzfilters gemäß der vorliegenden Erfindung, der Transmissionsmaxima für verschiedene Ordnungen konstruktiver Interferenz zeigt;
11A zeigt die Transmissionsspektren von beispielhaften plasmonischen Filtern gemäß der vorliegenden Erfindung;
11B zeigt die jeweiligen Peak-Transmissionswellenlängen für die plasmonischen Filter als Funktion der Periode in Nanometern (nm) gemäß der vorliegenden Erfindung;
11C zeigt eine beispielhafte seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Interferenzfilter- und plasmonischen Sperrfilter-Paares gemäß der vorliegenden Erfindung;
12A zeigt eine beispielhafte seitliche Querschnittsansicht eines Abbildungssystems mit einem Mikrolinsenarray und einem Mikrogitterarray gemäß der vorliegenden Erfindung;
12B zeigt eine Seitenansicht einer Linse gemäß der vorliegenden Erfindung, die dazu ausgelegt ist, einfallendes Licht auf einen Bildsensor umzulenken;
12C zeigt eine Seitenansicht eines Mikrostrukturarrays gemäß der vorliegenden Erfindung, das dazu ausgelegt ist, einfallendes Licht auf einen Bildsensor umzulenken;
12D zeigt eine Seitenansicht eines Mikrospiegelarrays gemäß der vorliegenden Erfindung, das dazu ausgelegt ist, einfallendes Licht auf einen Bildsensor umzulenken;
12E zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften Bildwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, der dazu ausgelegt ist, eine gekrümmte Oberfläche zum Auffangen von einfallendem Licht bereitzustellen;
12F zeigt eine Seitenansicht eines weiteren beispielhaften Bildwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, der dazu ausgelegt ist, eine gekrümmte Oberfläche zum Auffangen von einfallendem Licht bereitzustellen;
13 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften konvexen Mikrolinse gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften konkaven Mikrolinse gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Gehäuse mit einer Gehäuseöffnung aufweist;
16A-D zeigen verschiedene Seitenwandprofile für Lochblendenöffnungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
17 zeigt die Streuung von einem Diffusorelement in einem Sensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
18A zeigt ein Sensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem ein modifiziertes Diffusorelement verwendet wird;
18B zeigt ein mehrschichtiges Diffusorelement gemäß der vorliegenden Erfindung;
19A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Sensorsystemgehäuse mit reflektierenden Flächen auf den inneren oberen Wänden des inneren Hohlraums aufweist;
19B zeigt zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Mittenwellenlängen λ1 und λ2, die in das Sensormodul aus 19A durch die Gehäuseöffnung eintreten, gemäß der vorliegenden Erfindung;
19C zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Sensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Sensorsystemgehäuse mit reflektierenden Flächen auf den inneren oberen Wänden des Hohlraums aufweist;
19D zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Sensormoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Sensorsystemgehäuse mit reflektierenden Flächen auf den inneren oberen Wänden des Hohlraums aufweist;
19E zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines beispielhaften Sensorsystems, das mehrere Sensormodule umfasst;
20 zeigt ein Sensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle vereint;
21 zeigt die Verwendung eines Mikrogitterarrays zum Erzeugen einer Matrix von Spektralmustern zur Projektion auf ein Bildmotiv gemäß der vorliegenden Erfindung;
22 zeigt die Verwendung eines diffraktiven Elements zum Erzeugen einer Matrix von Spektralmustern zur Projektion auf ein Bildmotiv gemäß der vorliegenden Erfindung;
23 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Lichtquellenmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung;
24 zeigt eine Lichtquelle mit einem Spektrometer mit einem lichtemittierenden Element gemäß der vorliegenden Erfindung;
25A zeigt ein weiteres Sensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle vereint;
25B und 25C zeigen eine Seitenansicht eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle zur Kalibrierung mit einem bi-modalen Verschluss vereint;
25D zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines Spektralsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
25E zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines Spektralsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
25F und 25G zeigen eine Seitenansicht eines weiteren Sensorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle zur Kalibrierung mit einem bi-modalen Verschluss vereint;
26A zeigt eine Seitenansicht eines Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die Änderungen in gemessenen Mittenwellenlängen basierend auf dem Einfallswinkel von einfallendem Licht illustriert;
26B zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die Änderungen in gemessenen Mittenwellenlängen basierend auf dem Einfallswinkel von einfallendem Licht illustriert;
26C zeigt eine Draufsicht einer Öffnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Bezug auf die Mitte eines Makropixels versetzt ist;
26D zeigt eine Seitenansicht eines Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die Makropixel zeigt, die mit interferenzbasierten Filtern und Öffnungen verknüpft sind;
26E zeigt eine Seitenansicht des beispielhaften Spektrometersystems aus 26D gemäß der vorliegenden Erfindung, die Lichtausbreitung mit reflektierenden Öffnungen illustriert;
26F zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die Makropixel zeigt, die mit interferenzbasierten Filtern und Öffnungen verknüpft sind;
26G zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die Makropixel zeigt, die mit interferenzbasierten Filtern und Öffnungen verknüpft sind;
26H und 26I zeigen Seitenansichten eines Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Verwendung einer Linse zur Steuerung des Einfallswinkels beim Auftreffen auf einem Makropixel zeigen;
26J zeigt eine Seitenansicht eines Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Verwendung von Mikrolinsen zur Steuerung des Einfallswinkels beim Auftreffen auf einem Makropixel zeigt; und
26K zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Verwendung von Mikrolinsen zur Steuerung des Einfallswinkels beim Auftreffen auf einem Makropixel zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen werden digitale Bildsensoren mit Absorptions-basierten Farbfiltern zur spektralen Messung kombiniert. In einigen Ausführungsformen werden digitale Bildsensoren mit Absorptions-basierten Farbfiltern in einem Spektrometermodul und mit zusätzlichen optischen und/oder elektronischen Elemente kombiniert. In anderen Ausführungsformen werden Absorptions-basierte Farbfilter und interferenzbasierte Filter mit anderen optischen und/oder elektronischen Elementen einschließlich, aber nicht beschränkt auf Spektrometermodule und Lichtquellenmodule kombiniert, um zusätzliche Funktionalität und/oder Leistung unter Verwendung verschiedener Formfaktoren bereitzustellen.
1 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensormoduls 10, das ein Gehäuse 16 mit einer Gehäuseöffnung 12 aufweist. In einem Beispiel tritt einfallendes Licht durch die Gehäuseöffnung 12 in das Gehäuse ein, wo es schließlich an einem Lichtsensor 24 aufgefangen wird. In den meisten Beispielen hierin wird Gehäuseöffnung 12 synonym mit „Lochblende“ („Pinhole“) verwendet, wobei die Lochblende verschiedene Abmessungen aufweisen kann, je nachdem wie sie für die beschriebene Anwendung geeignet sind. Das Gehäuse 16 kann aus verschiedenen lichtundurchlässigen oder teilweise lichtundurchlässigen Materialien hergestellt sein, einschließlich Metallen, Verbundwerkstoffen und synthetischen oder semisynthetischen organischen Verbindungen, und Kombinationen derselben. In einem Beispiel kann die Gehäuseöffnung 12 so ausgelegt sein, dass sie ein Material umfasst, das in der Lage ist, Licht durchzulassen, einschließlich Glas (wie Quarz oder SiO_x), durchsichtige synthetische oder semisynthetische organische Verbindungen (wie Zellophan, Vinyl oder Plexiglas) oder jedes andere Material, das Licht innerhalb von für das Spektralsensormodul 10 relevanten Wellenlängen nicht signifikant absorbiert. Die Gehäuseöffnung 12 kann dazu ausgelegt sein zu verhindern, dass Fremdmaterialien in den durch das Gehäuse 16 definierten Hohlraum eintreten, oder sie kann eine einfache Öffnung für das Eintreten von Licht in den Hohlraum sein. In einem weiteren Beispiel kann die Gehäuseöffnung 12 dazu ausgelegt sein, zusätzliche Funktionalität bereitzustellen, wie variable Öffnungsgröße (variable Öffnung), Lichtfokussierung und Zurückweisen ausgewählter optischer Wellenlängen und/oder elektromagnetischer Strahlung.
Der Lichtsensor 24 weist lichtempfindliche Elemente (Sensoren) 28 auf, die in einem Substrat 26 eingebettet sind. In einem Beispiel können die lichtempfindlichen Elemente 28 komplementäre Metalloxidhalbleiter-Sensoren (complementary metal oxide semiconductor (CMOS) Sensoren), ladungsgekoppeltes Bauteil-Sensoren (charge-coupled device (CCD) Sensoren) oder kolloidale oder quantenpunkt-basierte optische Sensoren, oder Kombinationen dieser Sensoren sein. In einem Beispiel können die lichtempfindlichen Elemente 28 dazu eingerichtet sein, Licht im Sichtbaren, Nahinfraroten (near-infrared, NIR), mittleren Infraroten (mid-infrared, MIR) oder im Ultravioletten (UV) oder in Kombinationen aus dieser Gruppe zu detektieren. In einem Beispiel weist der Spektralfilter 22 mehrere Spektralfilterelemente auf, die auf dem Lichtsensor 24 integriert sind. In einem konkreten Beispiel weist der Spektralfilter 22 eine Vielzahl von Filtern auf, die dazu ausgelegt sind, Licht in einem Spektrum von Lichtwellenlängen durchzulassen, und wird auf dem Lichtsensor 24 nach einer Back-End-of-Line (BEOL)-Verarbeitung des Lichtsensors 24 hergestellt. In einem Beispiel weist ein integrierter Spektralfilter 22 mehrere Spektralfilterelemente auf, die jeweils mit einem oder mehreren lichtempfindlichen Elementen 28 verknüpft sind. In einem konkreten Beispiel können die integrierten Spektralfilterelemente des Spektralfilters 22 verschiedene Filtertypen umfassen, einschließlich Interferenzfiltern, wie etwa Fabry-Perot-Filtern, und Absorptionsfiltern, wie etwa plasmonischen Filtern und Quantenpunktfiltern, entweder allein oder in Kombination.
Das Sensormodul 10 kann zusätzliche optische Elemente aufweisen, wie einen Sperrfilter 20 und ein mikrooptisches Element 18, die innerhalb des Hohlraums des Sensormoduls 10 angeordnet sind. In einem Beispiel kann der Sperrfilter 20 eine Vielzahl von Sperrfilterelementen aufweisen, während das mikrooptische Element 18 Mikrolinsen, Mikroaperturen, Diffusoren und andere verwandte optische Elemente aufweisen kann. In einem konkreten Implementierungsbeispiel ist das Sensormodul 10 als ein Sensorsystem ausgebildet, das ein makrooptisches Element 14 umfasst. In einem weiteren Beispiel kann das makrooptische Element 14 ein einzelnes Element oder eine Vielzahl von optischen Elementen sein, die jeweils größer als die einzelnen Elemente des mikrooptischen Elements 18 sind.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel kann ein Gehäuse 16 eine zugehörige obere Fläche, eine zugehörige untere Fläche und eine zugehörige Vielzahl von Seitenflächen aufweisen, wobei die obere Fläche eine Gehäuseöffnung 12 aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden. In einem Beispiel weist ein Substrat 26 eine zugehörige untere Fläche und eine zugehörige obere Fläche auf, die sich innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 befinden, wobei die untere Fläche des Substrats 26 mit der inneren unteren Fläche des Gehäuses 16 gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 auf der oberen Fläche des Substrats 26 angeordnet ist. In dem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern (Spektralfilter 22), die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 angeordnet, wobei jeder Satz von Spektralfiltern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von Spektralfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und wobei jeder Spektralfilter der Vielzahl von Spektralfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen.
In einem verwandten Beispiel ist ein oder sind mehrere Sperrfilter als eine Schicht (wie die Sperrfilter 20) mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet, wobei die untere Fläche des einen oder der mehreren Sperrfilter nahe der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern angeordnet ist. In einem Beispiel ist eine Abdeckung zumindest teilweise innerhalb der Gehäuseöffnung 12 angeordnet, und in einem konkreten Beispiel sind ein oder mehrere makrooptische Elemente 14 innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 angeordnet. In einem Beispiel ist das makrooptische Element 14 eine einzelne Linse oder eine Gruppe von Linsen, die dazu ausgelegt sind, Licht durch die Gehäuseöffnung 16 zu lenken. In einem weiteren Beispiel ist das makrooptische Element 14 ein Diffusor. In noch einem weiteren Beispiel ist das makrooptische Element 14 ein Diffusor, der mit einer einzelnen Linse oder einer Gruppe von Linsen gekoppelt ist.
In einem konkreten Implementierungs- oder Betriebsbeispiel ist die Wellenlängenempfindlichkeit eines lichtempfindlichen Elements, wie etwa eines oder mehrerer der lichtempfindlichen Elemente 28, an ein bestimmtes Spektralfilterelement des Spektralfilters 22 angepasst, um ein Paar aus einem lichtempfindlichen Element und einem optischen Filter bereitzustellen. In einem Beispiel ist die Quanteneffizienz eines bestimmten lichtempfindlichen Elements (wie etwa eines oder mehrerer der lichtempfindlichen Elemente 28) durch Anpassen der Full-Well, der Konversionsverstärkung (conversion gain) und/oder der Fläche des betreffenden lichtempfindlichen Elements dazu ausgelegt, innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs empfindlich zu sein. In einem verwandten Beispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen.
2A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Sensormoduls, das ein Gehäuse mit einer Gehäuseöffnung umfasst. In dem Beispiel tritt einfallendes Licht durch eine Gehäuseöffnung 12 in das Gehäuse ein, wo es schließlich an einem Lichtsensor 24 aufgefangen wird. Unter Verweis auf 1 kann das Gehäuse 16 aus verschiedenen lichtundurchlässigen oder teilweise lichtundurchlässigen Materialien hergestellt sein, einschließlich Metallen, Verbundwerkstoffen und synthetischen oder semisynthetischen organischen Verbindungen, und Kombinationen derselben. In einem Beispiel kann die Gehäuseöffnung 12 so ausgelegt sein, dass sie ein Material umfasst, das in der Lage ist, Licht durchzulassen, einschließlich Glas (wie Quarz oder SiO_x), durchsichtige synthetische oder semisynthetische organische Verbindungen (wie Zellophan, Vinyl oder Plexiglas) oder jedes andere Material, das Licht innerhalb von für das Spektralsensormodul 10 relevanten Wellenlängen nicht signifikant absorbiert. Die Gehäuseöffnung 12 kann zusätzlich dazu ausgelegt sein zu verhindern, dass Fremdmaterialien in den durch das Gehäuse 16 definierten Hohlraum eintreten; alternativ kann die Gehäuseöffnung 12 eine einfache Öffnung für das Eintreten von Licht in den Hohlraum sein. In einem weiteren Beispiel kann die Gehäuseöffnung 12 dazu ausgelegt sein, zusätzliche Funktionalität bereitzustellen, wie variable Öffnungsgröße (variable Öffnung), Lichtfokussierung und Zurückweisen ausgewählter optischer Wellenlängen und/oder elektromagnetischer Strahlung.
Der Lichtsensor 24 umfasst lichtempfindliche Elemente 28, die in einem Substrat 26 eingebettet sind. In einem Beispiel können die lichtempfindlichen Elemente 28 komplementäre Metalloxidhalbleiter-Sensoren (complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensors), ladungsgekoppeltes Bauteil-Sensoren (charge-coupled device (CCD) sensors) und kolloidale oder quantenpunkt-basierte optische Sensoren, oder Kombinationen dieser Sensoren sein. In einem Beispiel können die lichtempfindlichen Elemente 28 dazu eingerichtet sein, Licht im Sichtbaren, Nahinfraroten (near-infrared, NIR), mittleren Infraroten (mid-infrared, MIR) oder Ultravioletten (UV) oder in Kombinationen aus dieser Gruppe zu detektieren. In einem Beispiel weist der Spektralfilter 22 mehrere Spektralfilterelemente auf, die auf dem Lichtsensor 24 integriert sind. In einem konkreten Beispiel weist der Spektralfilter 22 eine Vielzahl von optischen Filtern auf, die dazu ausgelegt sind, Licht in einem Spektrum von Lichtwellenlängen durchzulassen, und wird auf dem Lichtsensor 24 nach einer Back-End-of-Line (BEOL)-Verarbeitung des Lichtsensors 24 hergestellt. In einem Beispiel weist ein integrierter Spektralfilter 22 mehrere Spektralfilterelemente auf, die jeweils mit einem oder mehreren lichtempfindlichen Elementen 28 verknüpft sind. In einem konkreten Beispiel können die integrierten Spektralfilterelemente des Spektralfilters 22 verschiedene Filtertypen umfassen, einschließlich Interferenzfiltern, wie etwa Fabry-Perot-Filtern, und Absorptionsfiltern, wie etwa plasmonischen Filtern und Quantenpunktfiltern, entweder allein oder in Kombination.
Das Sensormodul 10 kann zusätzliche optische Elemente aufweisen, wie etwa einen Sperrfilter 20 und ein mikrooptisches Element 18, die innerhalb des Hohlraums des Sensormoduls 10 angeordnet sind. In einem Beispiel kann der Sperrfilter 20 eine Vielzahl von Sperrfilterelementen aufweisen, während das mikrooptische Element 18 Mikrolinsen, Mikroaperturen und andere verwandte optische Elemente aufweisen kann. In einem konkreten Beispiel kann das mikrooptische Element 18 eine faseroptische Platte aufweisen. In einem konkreten Implementierungsbeispiel ist das Sensormodul 10 als ein Sensorsystem ausgebildet, das das mikrooptische Element 18 mit einem Zerstreuungselement 30 umfasst, wobei das Zerstreuungselement 30 zwischen der Öffnung 12 und dem mikrooptischen Element 18 angeordnet ist. In einem Beispiel kann das Zerstreuungselement 30 (auch als Lichtdiffusor oder optischer Diffusor bezeichnet) jedes Material umfassen, das Licht zerstreut oder streut. In einem Beispiel umfasst das Zerstreuungselement 30 transluzentes Material, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, satiniertem Glas, Teflon, Opalglas und Grauglas, das zwischen einer Lichtquelle und dem zerstreuten Licht angeordnet ist. In einem Beispiel ist das Zerstreuungselement 30 dazu ausgelegt, einfallendes Licht zu vermischen, bevor es auf dem mikrooptischen Element 18 auftrifft. In einem Beispiel kann das Zerstreuungselement 30 ein einzelnes Element sein und in einem weiteren Beispiel kann das Zerstreuungselement 30 eine Vielzahl von Diffusorelementen umfassen.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel weist ein Gehäuse 16 eine zugehörige obere Fläche, eine zugehörige untere Fläche und eine zugehörige Vielzahl von Seitenflächen auf, wobei die obere Fläche eine Gehäuseöffnung 12 aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden. In einem Beispiel ist ein Substrat 26 mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats 26 mit der inneren unteren Fläche des Gehäuses 16 gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 auf der oberen Fläche des Substrats 26 angeordnet ist. In dem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern 22, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 angeordnet, wobei jeder Satz von Spektralfiltern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von Spektralfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und wobei jeder Spektralfilter der Vielzahl von Spektralfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen.
In einem verwandten Beispiel sind ein oder mehrere Sperrfilter 20 als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet, wobei die untere Fläche des einen oder der mehreren Sperrfilter nahe der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern angeordnet ist. In einem Beispiel sind ein oder mehrere makrooptische Elemente 18 innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 angeordnet, und das Zerstreuungselement 30 ist zwischen der Öffnung 12 und dem mikrooptischen Element 18 angeordnet. In einem Beispiel ist das makrooptische Element 18 eine faseroptische Platte.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel ist die Wellenlängenempfindlichkeit eines lichtempfindlichen Elements, wie etwa eines oder mehrerer der lichtempfindlichen Elemente 28, an ein bestimmtes Spektralfilterelement des Spektralfilters 22 angepasst, um ein Paar aus einem lichtempfindlichen Element und einem optischen Filter bereitzustellen. In einem Beispiel ist die Quanteneffizienz eines bestimmten lichtempfindlichen Elements (wie etwa eines oder mehrerer der lichtempfindlichen Elemente 28) durch Anpassen der Full-Well, der Konversionsverstärkung (conversion gain) und/oder der Fläche des betreffenden lichtempfindlichen Elements dazu ausgelegt, innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs empfindlich zu sein. In einem verwandten Beispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen.
In einem Beispiel umfasst eine Vielzahl von Sätzen von lichtempfindlichen Elementen einen Satz von lichtempfindlichen Elementen der Vielzahl von Sätzen von lichtempfindlichen Elementen, wobei ein Satz eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jedes lichtempfindliche Element eines Satzes von lichtempfindlichen Elementen im Wesentlichen für eine Spitzenquanteneffizienz in einem anderen Wellenlängenbereich eingerichtet ist. In einem konkreten Beispiel umfasst jedes lichtempfindliche Element eine Diffusionswanne, wobei jedes lichtempfindliche Element eines Satzes von lichtempfindlichen Elementen für eine im Wesentlichen Spitzenquanteneffizienz basierend auf den Abmessungen der Diffusionswanne eingerichtet ist. In einem konkreten Beispiel umfassen die Abmessungen der Diffusionswanne eine Tiefe D, wobei die Spitzenquanteneffizienz für jedes lichtempfindliche Element zumindest teilweise auf der Tiefe D basiert. In einem weiteren konkreten Beispiel umfassen die Abmessungen der Diffusionswanne eine Fläche A, wobei die Spitzenquanteneffizienz für jedes lichtempfindliche Element zumindest teilweise auf der Fläche A basiert. In noch einem weiteren konkreten Beispiel weist jedes lichtempfindliche Element eines Satzes von lichtempfindlichen Elementen eine Konversionsverstärkung (conversion gain) C auf, wobei die Spitzenquanteneffizienz für jedes lichtempfindliche Element zumindest teilweise auf der Konversionsverstärkung C basiert.
In einem Beispiel ist jedes lichtempfindliche Element mit einem oder mehreren optischen Filtern eines Satzes von optischen Filtern verknüpft, um ein Paar aus einem lichtempfindlichen Element und einem optischen Filter zu bilden, wobei die Spitzenquanteneffizienz für das lichtempfindliche Element eines Paars aus einem lichtempfindlichen Element und einem optischen Filter an den Wellenlängenbereich von Licht angepasst ist, das durch den einen oder optische Filter des Paars aus dem lichtempfindlichen Element und dem optischen Filter durchgelassen wird.
2B zeigt eine seitliche Querschnittsansicht weiterer beispielhafter Sensormodule. 2A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Sensormoduls, das ein Gehäuse mit einer Gehäuseöffnung (Lochblende 40) aufweist. In dem Beispiel tritt einfallendes Licht durch die Lochblende 40 in das Gehäuse ein, wo es schließlich an einem Lichtsensorarray 54 aufgefangen wird. Unter Verweis auf 1 kann das Gehäuse 16 aus verschiedenen lichtundurchlässigen oder teilweise lichtundurchlässigen Materialien hergestellt sein, einschließlich Metallen, Verbundwerkstoffen und synthetischen oder semisynthetischen organischen Verbindungen, und Kombinationen derselben. In einem Beispiel wird ein Diffusor 52 und/oder ein Filterglas 42 bereitgestellt, um zu verhindern, dass Fremdmaterialien in den durch das Gehäuse 16 definierten Hohlraum eintreten. In einem weiteren Beispiel kann die Lochblende 40 dazu ausgelegt sein, zusätzliche Funktionalität bereitzustellen, wie variable Öffnungsgröße (variable Öffnung), Lichtfokussierung und Zurückweisen ausgewählter optischer Wellenlängen und/oder elektromagnetischer Strahlung.
Das Spektralsensorarray 54 umfasst lichtempfindliche Elemente, die in einem Substrat (wie etwa dem Substrat 26 aus 2A) eingebettet sind. In einem Beispiel weist das Spektralsensorarray 54 mehrere Spektralfilterelemente auf, die mit Sensorelementen integriert sind, wie einem der Sensorelemente der 1 und 2A.
Das Sensormodul 10 kann zusätzliche Elemente umfassen, wie eine Mikrocontrollereinheit (micro controller unit, MCU) 48. In einem Beispiel kann die MCU 48 ein Prozessor sein, der dazu ausgelegt ist, eine Ausgabe vom Spektralsensorarray 54 zu empfangen. In einem Beispiel kann die MCU 48 dazu ausgelegt sein, die Sensorausgabe zu verarbeiten und/oder zu kalibrieren, um ein oder mehrere optische Spektren bereitzustellen. In einem konkreten Implementierungsbeispiel ist die MCU 48 mit einem Land-Grid-Array (land-grid-array, LGA) 50 gekoppelt. In einem Beispiel ist die MCU 48 mit einem LGA-Substrat 50 über eine Lötverbindung, beispielsweise unter Verwendung eines Ball Grid Arrays, elektrisch gekoppelt. In einem verwandten Beispiel ist die MCU 48 mit dem LGA-Substrat 50 gekoppelt und das Spektralsensorarray 54 ist mit der MCU 48 gekoppelt, um eine einzelne Einheit bereitzustellen. In einem verwandten Beispiel ist das Spektralsensorarray 54 mit dem LGA-Substrat 50 drahtgebondet, was eine elektrische Kommunikation zwischen dem Spektralsensorarray 54 und der MCU 48 zusammen mit einer elektrischen Kommunikation mit Komponenten/Elementen außerhalb des Sensormoduls 10 ermöglicht. In noch einem weiteren konkreten Beispiel kann das LGA-Substrat 50 dazu ausgelegt sein, sowohl eine untere Fläche für das Package 16 als auch elektrische Verbindungen für die MCU 48 und das Spektralsensorarray 54 bereitzustellen.
In einem Beispiel ist die Linse 44 dazu ausgelegt, eine wesentliche Kollimierung und/oder Einschluss von Licht, das durch die Lochblende 40 in den Sensor eintritt, bereitzustellen. In einem Implementierungsbeispiel kann die Linse 44 unter Verwendung eines Klebstoffs, wie zum Beispiel eines Klebstoffs, der für optische Anwendungen ausgelegt ist, mit dem Spektralsensorarray 54 gekoppelt sein. In einem weiteren Beispiel kann die Linse 44 mit einem Luftspalt zwischen der unteren Fläche der Linse 44 und dem Spektralsensorarray 54 montiert sein, wobei die Linse zum Beispiel an einer oder mehreren inneren Seitenwänden des Gehäuses 16 montiert ist. Der Diffusor 52 kann jedes Material umfassen, das Licht zerstreut oder streut, wie etwa eines der Diffusormaterialien, auf die in den 1 und/oder 2A verwiesen wird. In einem Beispiel kann der Diffusor 52 ein einzelnes Element sein und in einem weiteren Beispiel kann der Diffusor 52 eine Vielzahl von Diffusorelementen aufweisen. In noch einem weiteren Implementierungsbeispiel ist die Linse 44 insgesamt vom Sensormodul 10 getrennt oder außerhalb des Sensormoduls 10 ausgebildet.
2C zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Sensormoduls, das eine Gehäuseöffnung an oder nahe den äußeren Grenzen eines Gehäuses 16 aufweist. In dem Beispiel tritt einfallendes Licht durch ein Filterglas 42 in das Gehäuse ein, wo es schließlich an einem Sensorarray 54 aufgefangen wird. In einem Beispiel kann das Filterglas 42 so ausgelegt sein, dass es ein Material umfasst, das in der Lage ist, Licht durchzulassen, einschließlich Glas (wie Quarz oder SiO_x), durchsichtigen synthetischen oder semisynthetischen organischen Verbindungen (wie Zellophan, Vinyl oder Plexiglas) oder jedes andere Material, das Licht außerhalb der für das Spektralsensormodul 10 relevanten Wellenlängen filtert. Das Filterglas 42 kann zusätzlich dazu ausgelegt sein zu verhindern, dass Fremdmaterialien in den durch das Gehäuse 16 definierten Hohlraum eintreten.
In einem konkreten Beispiel kann eine faseroptische Platte (fiber-optic plate, FOP) 56 zwischen dem Filterglas 42 und dem Spektralsensorarray 54 angeordnet sein. In einem konkreten Implementierungsbeispiel kann die faseroptische Platte 56 dazu ausgelegt sein, Licht, das durch das Filterglas 42 hindurchgeht, im Wesentlichen zu kollimieren, bevor es am Spektralsensorarray 54 aufgefangen wird. In einem weiteren Beispiel kann ein Lichtdiffusor mit einer oder mehreren der oberen Fläche der FOP 56, der oberen Fläche des Filterglases 42 oder außerhalb des Sensormoduls 10 gekoppelt sein.
2D 2A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren Sensormoduls, das ein Filterglas 42 umfasst, das im Wesentlichen in einer Gehäuseöffnung für ein Gehäuse 16 montiert ist. In dem Beispiel kann eine faseroptische Platte (fiber-optic plate, FOP) 56 zwischen dem Filterglas 42 und einem Spektralsensorarray 54 angeordnet sein. In einem Beispiel tritt einfallendes Licht durch das Filterglas 42 in das Gehäuse ein und wird durch die faseroptische Platte 56 kollimiert, um schließlich am Spektralsensorarray 54 aufgefangen zu werden. In einem Beispiel definiert das Gehäuse 16 einen Hohlraum, der alle Elemente des Filterglases 42, der faseroptischen Platte 56, des Spektralsensorarrays 54 und der MCU 48 umfasst. In einem verwandten Beispiel kann das Gehäuse 16 so ausgelegt sein, dass es jeden nicht-belegten Raum innerhalb der inneren Grenzen des Gehäuses 16 füllt. In einem weiteren Beispiel kann ein Lichtdiffusor mit einer oder mehreren der oberen Fläche der FOP 56 (zwischen FOP 56 und Filterglas 42), der oberen Fläche des Filterglases 42 oder außerhalb des Sensormoduls 10 gekoppelt sein.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Mehrfachübergangs-Fotodiode (multi-junction photodiode), die dazu eingerichtet ist, verschiedene Interferenz-Harmonische für einen bestimmten Interferenzfilter, wie beispielsweise einen Fabry-Perot-Filter, auszuwählen. In einem Beispiel umfasst eine Mehrfachübergangs-Fotodiode mehrere Wannen, die in verschiedenen Tiefen innerhalb des Substrats angeordnet sind. In einem Beispiel weisen zugehörige Interferenzfilter-Harmonische für einen bestimmten Interferenzfilter spezifische Eindringtiefen auf und werden daher jeweils an einer anderen Wanne der Mehrfachübergangs-Fotodiode detektiert. In dem Beispiel weist ein lichtempfindliches Element mehrere Verarmungsbereiche auf. In einem Beispiel sind die Verarmungsbereiche 32 isolierende Bereiche innerhalb eines leitfähigen, dotierten Halbleitermaterials, in denen die mobilen Ladungsträger durch ein elektrisches Feld verdrängt worden sind. In einem Beispiel sind die in den Verarmungsbereichen 32 verbliebenen Elemente primär auf ionisierte Donator- oder Akzeptor-Verunreinigungen beschränkt. Dementsprechend werden die Verarmungsbereiche 32 aus einem leitenden Bereich durch Entfernen aller freien Ladungsträger ausgebildet, so dass keine zum Führen eines Stroms übrig bleiben. In einem Beispiel sind Elektronenauslesevorrichtungen 34 dazu eingerichtet, eine Spannung und/oder einen Strom als Reaktion auf an Verarmungsbereichen 32 absorbierte Photonen zu messen.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein optisches Sensorsystem ein Halbleitersubstrat mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer Vielzahl von Interferenzfiltern, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei die untere Fläche der Vielzahl von Interferenzfiltern nahe der oberen Fläche einer Vielzahl von optischen Sensoren angeordnet ist, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche ausgebildet sind, wobei jeder optische Sensor der Vielzahl von optischen Sensoren eine Vielzahl von Wannen aufweist, wobei jede Wanne der Vielzahl von Wannen eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist und die zugehörige untere Fläche für jede Wanne von jeder der Vielzahl von Wannen in einer anderen Tiefe unter der oberen Fläche des Substrats angeordnet ist.
In einem verwandten Beispiel ist jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet, Licht in einem von einer Vielzahl von Wellenlängenbereichen durchzulassen. In einem weiteren Beispiel ist jede Wanne der Vielzahl von Wannen dazu eingerichtet, einen Verarmungsbereich bereitzustellen, der mit einer Harmonischen korreliert ist, die einer Harmonischen eines zugehörigen Interferenzfilters entspricht. In einem konkreten verwandten Beispiel ist die Tiefe für jede Wanne dazu ausgelegt, die Detektion von Licht bei einer anderen Harmonischen einer Mittenwellenlänge (center wavelength, CWL) von Licht zu ermöglichen, das durch einen oder mehrere zugehörige Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern hindurchgeht.
4 zeigt eine weitere beispielhafte Mehrfachübergangs-Fotodiode, die dazu eingerichtet ist, verschiedene Interferenz-Harmonische auszuwählen, entweder unter oder ohne Verwendung eines Interferenzfilters. In einem Beispiel definieren die Tiefe a der nLDD-Wanne, die Tiefe b der p-Wanne 36B und die Tiefe c der n-Wanne 36C die Verarmungsbereiche, in denen Photonen für Blau, Grün und Rot absorbiert und detektiert werden.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines integrierten Filter- und Sensorarrays. In der Figur weist ein Substrat 26 eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 in einem Sensorarray auf. Eine Back-End-of-Line (BEOL)-Schicht 64 befindet sich auf dem Substrat 26 mit lichtempfindlichen Elementen 28 und ist wiederum von einem ersten Spiegel 66 bedeckt. Interferenzfilter 68 weisen jeweils einen Hohlraum 62 und einen zweiten Spiegel (Spiegel 60A-60C) auf. In einem Beispiel ist der Hohlraum 62 in jedem der Interferenzfilter 68 mit einer unterschiedlichen Dicke ausgebildet, um Licht in einem anderen Wellenlängenbereich für jedes der lichtempfindlichen Elemente 28 durchzulassen. In einem Beispiel kann das Hohlraummaterial und/oder das erste oder das zweite Spiegelmaterial unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition) und/oder gepulster Laserabscheidung (pulsed laser deposition) ausgebildet werden. In einem Beispiel ermöglicht Atomlagenabscheidung eine präzise Abscheidung, einschließlich einer Abscheidung monoatomarer Schichten.
6 zeigt eine Darstellung eines beispielhaften Transmissionsspektrums im SWIR-Band. In der Darstellung ist die Transmission eines Filters mit einer 5%-Halbwertsbreite (full width at half-maximum) mit Hohlräumen doppelter Ordnung (λ) über einen Bereich von Temperaturen gezeigt. In einem Beispiel können nicht-CMOS-basierte optische Sensoren (lichtempfindlich) verwendet werden, um den Spektralbereich eines Spektralsensors auf kurzwellige Infrarot-Wellenlängen (short-wave infrared, SWIR) zwischen ungefähr 1400 nm und 3000 Nanometern (nm) zu erweitern. Zum Beispiel können optische Germanium-auf-Silizium-Sensoren (Germanium on Silicon, Ge-on Si) verwendet werden, um Licht im SWIR-Wellenlängenbereich aufzufangen. In einem Beispiel werden integrierte Filter auf SWIRlichtempfindlichen Elementen hinzugefügt, um ein Spektrometer auszubilden, das bei SWIR-Wellenlängen empfindlich ist. In einem weiteren Beispiel können SWIR-lichtempfindliche Elemente verwendet werden, um einen Bildsensor auszubilden. In einem Beispiel kann ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren umfassen, wobei jeder Satz von optischen Sensoren in einem Muster angeordnet ist. In noch einem weiteren Beispiel bilden integrierte Filter und SWIR-lichtempfindliche Elemente zusammen einen Hyperspektral-Bildwandler (hyperspectral imager, HSI) oder ein Spektrometer im SWIR-Bereich. In einem konkreten Implementierungsbeispiel setzen sich optische Sensoren aus einem Stapel, der Indium-Gallium-Aluminium und Arsen umfasst, zusammen. In einem Beispiel ist der Stapel In_xGa_yAl_zAs, wobei x, y und z Parameter sind, die die in der Legierung vorhandenen Verhältnisse angeben. In einem Beispiel weist In_xGa_yAl_zAs einen hohen Brechungsindex auf, der es für eine Anpassung an einen integrierten Filterstapel ideal macht. In einem weiteren Beispiel können Graphen-Sensoren verwendet werden.
In einem Betriebs- und Implementierungsbeispiel umfasst ein Spektrometersystem eine Vielzahl von kurzwelligen Infrarot-Sensoren (short-wave infrared Sensoren, SWIR-Sensoren) auf einer integrierten Schaltung und eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern auf der Vielzahl von SWIR-Sensoren, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel ist jeder Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Interferenzfiltern mit einem Satz von SWIR-Sensoren verknüpft. In einem konkreten verwandten Beispiel sind die SWIR-Sensoren Germanium-auf-Silizium-Sensoren (Germanium on Silicon, Ge-on Si). In einem weiteren Beispiel umfassen die SWIR-Sensoren Indium-Gallium-Aluminium und Arsen. In noch einem weiteren konkreten Beispiel umfassen ein oder mehrere Interferenzfilter eines Satzes von Interferenzfiltern In_xGa/AlAs/Oxid, die über einem Array von lichtempfindlichen Elementen aus In_xGa_yAl_zAs hergestellt sind.
Halbleitersubstrate, wie etwa Einkristall-Siliziumsubstrate, können für kurzwellige Infrarot-Wellenlängen (short-wave infrared, SWIR) im Wesentlichen transparent sein. 7A zeigt eine Seitenansicht einer Bilderfassungsvorrichtung zum Detektieren von SWIR-Licht-Wellenlängen, wie etwa SWIR-Licht 70. In dem Beispiel umfasst ein Siliziumsubstrat 138 eine obere und eine untere Fläche mit einem oder mehreren Spektralfiltern 222, die auf einer zugehörigen oberen Fläche des Siliziumsubstrats angeordnet sind, und einem oder mehreren SWIR-empfindlichen Elementen 72, die auf einer zugehörigen unteren Fläche des Siliziumsubstrats angeordnet sind. In einem Beispiel kann einfallendes Licht durch die Spektralfilter 222 auf der oberen Fläche des Substrats gefiltert und durch die SWIR-empfindlichen Elemente 72 auf der unteren Fläche des Substrats detektiert werden. In einem Beispiel können die SWIR-empfindlichen Elemente 72 jedes der oben beschriebenen Materialien sowie InGaAs und/oder HgCdTe (MCT) umfassen. In einem Beispiel können die Spektralfilter 222 jeden Filter oder jede Kombination von Filtern umfassen, die selektiv Licht in SWIR-Wellenlängen transmittieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Interferenzfilter, Absorptionsfilter und plasmonische Filter.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel werden zunächst SWIR-Filter (wie etwa Spektralfilter 222) auf der oberen Fläche eines Halbleitersubstrats 138 hergestellt, wobei anschließend Dünnfilm-Fotosensoren (wie etwa SWIR-empfindliche Elemente 72), die dazu ausgelegt sind, für SWIR-Wellenlängen empfindlich zu sein, auf der unteren Fläche in einem separaten Prozess hergestellt werden. In einem konkreten verwandten Beispiel umfasst die Dünnfilm-Fotosensorherstellung eine Abscheidung von einem oder mehreren Dünnfilmmaterialien bei einer Temperatur, die niedriger ist als bei dem Prozess, der zur Herstellung der SWIR-Filter verwendet wird. In einem konkreten Betriebs- und Implementierungsbeispiel umfasst ein Spektrometersystem eine Vielzahl von kurzwelligen Infrarot-empfindlichen Elementen (short-wave infrared (SWIR)-empfindlichen Elementen) auf der Rückseite einer integrierten Schaltung und eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern auf der Oberseite der integrierten Schaltung, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem konkreten Beispiel ist jeder Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Interferenzfiltern mit einem Satz von SWIR-Sensoren auf der Rückseite der integrierten Schaltung verknüpft. In einem konkreten Beispiel ist die integrierte Schaltung dazu eingerichtet, ein Signal von den Dünnfilm-Fotosensoren auszulesen.
7B zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Bilderfassungsvorrichtung zum Detektieren von SWIR-Wellenlängen. In dem Beispiel weist ein erstes Halbleitersubstrat 138A eine obere und eine untere Fläche mit einem oder mehreren Spektralfiltern 222 auf, die auf einer zugehörigen oberen Fläche angeordnet sind, während ein zweites Halbleitersubstrat zugehörige obere und untere Flächen mit einem oder mehreren SWIR-Sensoren (wie etwa SWIR-empfindlichen Elementen 72) aufweist, die auf einer zugehörigen oberen Fläche des zweiten Halbleitersubstrats 138B angeordnet sind. In einem Beispiel ist die untere Fläche des Halbleitersubstrats 138A nahe der oberen Fläche des Halbleitersubstrats 138B angeordnet, so dass einfallendes Licht durch die Interferenzfilter auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrats 138A gefiltert und durch die SWIR-Sensoren auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrats 138B detektiert werden kann. In einem Beispiel kann ein resultierender Substrat-Stapel oder -Sandwich unter Verwendung eines Klebstoffmaterials, durch Waferbonden oder durch mechanische Kopplung der beiden Flächen (oder einer beliebigen Kombination davon) gekoppelt werden. In einem Beispiel können die SWIR-Sensoren jedes der oben mit Bezug auf die 7A und 7B beschriebenen Materialien sowie InGaAs und/oder HgCdTe (MCT) umfassen. In einem Beispiel kann der SWIR-Filter jeden Filter oder jede Kombination von Filtern umfassen, die selektiv Licht in SWIR-Wellenlängen transmittieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Interferenzfilter, Absorptionsfilter und plasmonische Filter. In einem alternativen Beispiel umfasst das Interferenzfilter-Array von 7B die obere Fläche des ersten Halbleitersubstrats, die nahe der unteren Fläche des zweiten Halbleitersubstrats angeordnet ist, so dass einfallendes Licht durch die Interferenzfilter gefiltert werden kann, nachdem es durch das erste Halbleitersubstrat hindurchgegangen ist, und durch die SWIR-Sensoren auf der oberen Fläche des zweiten Halbleitersubstrats detektiert werden kann, wodurch möglicherweise Crosstalk zwischen den Filtern reduziert wird.
In einem Betriebs- und Implementierungsbeispiel umfasst ein Spektrometersystem eine Vielzahl von kurzwelligen Infrarot-Sensoren (short-wave infrared sensors, SWIR-Sensoren) auf der Oberseite einer ersten integrierten Schaltung und eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern auf der Oberseite einer zweiten integrierten Schaltung, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel sind die Unterseiten sowohl der ersten als auch der zweiten integrierten Schaltung so angeordnet, dass die unteren Seitenflächen der ersten und der zweiten integrierten Schaltung parallel und in unmittelbarer Nähe zueinander sind. In einem konkreten Beispiel ist jeder Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Interferenzfiltern mit einem Satz von SWIR-Sensoren auf der Rückseite der integrierten Schaltung verknüpft. In einem anderen Beispiel sind die unteren Seitenflächen der ersten und der zweiten integrierten Schaltung unter Verwendung von mindestens einem von einem Klebstoff, Waferbonden und mechanischer Kopplung miteinander gekoppelt.
7C zeigt eine Seitenansicht einer Bilderfassungsvorrichtung zum Detektieren sowohl von SWIR-Wellenlängen als auch von Wellenlängen innerhalb sichtbarer Licht-Wellenlängen. In dem Beispiel ist ein erstes Halbleitersubstrat (Halbleitersubstrat 138A), das eine zugehörige obere und untere Fläche mit einem oder mehreren Spektralfiltern 222 aufweist, auf einem Array von lichtempfindlichen Elementen 228 angeordnet, die zur Detektion von Wellenlängen innerhalb sichtbarer Licht-Wellenlängen ausgelegt sind, während ein zweites Halbleitersubstrat (Halbleitersubstrat 138B), das eine zugehörige obere und untere Fläche aufweist, einen oder mehrere SWIR-Sensoren umfasst, die auf der oberen Fläche angeordnet sind. In einem Beispiel ist die untere Fläche des ersten Halbleitersubstrats nahe der unteren Fläche des zweiten Halbleitersubstrats angeordnet, so dass einfallendes Licht innerhalb sichtbarer Wellenlängen (sichtbares einfallendes Licht 74) durch die Interferenzfilter auf der oberen Fläche gefiltert und auf dem ersten Halbleitersubstrat detektiert werden kann, während Wellenlängen im SWIR-Wellenlängenbereich (SWIR-Licht 70) durch die Filter und Sensoren auf dem ersten Halbleitersubstrat hindurchgeht und durch die SWIR-Sensoren auf der oberen Fläche des zweiten Halbleitersubstrats detektiert werden. In einem Beispiel kann ein resultierender Substrat-Stapel oder -Sandwich unter Verwendung eines Klebstoffmaterials, durch Waferbonden oder mechanische Kopplung oder einer beliebigen Kombination davon gekoppelt werden. In einem Beispiel können die SWIR-Sensoren jedes der oben mit Bezug auf die 7A und 7B beschriebenen Materialien sowie InGaAs und/oder HgCdTe (MCT) umfassen. In einem Beispiel kann der SWIR-Filter jeden Filter oder jede Kombination von Filtern umfassen, die selektiv Licht in SWIR-Wellenlängen transmittieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Interferenzfilter, Absorptionsfilter und plasmonische Filter. In einem alternativen Beispiel ist die untere Fläche des ersten Halbleitersubstrats nahe der oberen Fläche des zweiten Halbleitersubstrats angeordnet, so dass Wellenlängen im SWIR-Wellenlängenbereich durch die Filter und Sensoren auf dem ersten Halbleitersubstrat hindurchgehen und durch die SWIR-Sensoren auf der oberen Fläche des zweiten Halbleitersubstrats detektiert werden, ohne durch das zweite Halbleitersubstrat hindurchzugehen.
In einem Beispiel kann ein resultierendes Sensorsystem verwendet werden, um Licht in zwei Wellenlängenbereichen unter Verwendung einer gemeinsamen Architektur zu detektieren. In einem verwandten Beispiel kann das resultierende Sensorsystem einen im Wesentlichen maximalen Füllfaktor erreichen. In einer Ausführungsform sind die interferenzbasierten Filter dazu ausgelegt, in mindestens zwei Wellenlängenkanälen, einen im sichtbaren Bereich und einen weiteren im SWIR, zu transmittieren, wobei das sichtbare Licht durch die sichtbaren Sensoren detektiert wird, während das SWIR-Licht sie durchkreuzt und die SWIR-Sensoren erreicht.
In einem konkreten Betriebs- und Implementierungsbeispiel umfasst ein Spektrometersystem eine Vielzahl von kurzwelligen Infrarot-Sensoren (short-wave infrared Sensoren, SWIR-Sensoren) auf der Oberseite einer ersten integrierten Schaltung und eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern auf einer Vielzahl von optischen Sensoren auf der Oberseite einer zweiten integrierten Schaltung, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel sind die Unterseiten sowohl der ersten als auch der zweiten integrierten Schaltung so angeordnet, dass die unteren Seitenflächen der ersten und der zweiten integrierten Schaltung parallel und in unmittelbarer Nähe zueinander sind. In einem konkreten Beispiel sind die unteren Seitenflächen der ersten und der zweiten integrierten Schaltung unter Verwendung von mindestens einem von Klebstoffmaterial, Waferbonden, mechanische Kopplung oder einer beliebigen Kombination davon miteinander gekoppelt.
8A zeigt eine seitliche Explosionsdarstellung von Interferenzfiltern, die verwendet werden, um periodische schwarze Pixel auf einem Sensorarray bereitzustellen. In einem Beispiel kann ein Sensorarray mit Pixeln/Sensoren (Pixel), die unempfindlich für Licht sind, an bestimmten Positionen im Array für einige Anwendungen nützlich sein. Beispielsweise können die schwarzen Pixel verwendet werden, um Referenzpositionen innerhalb des Sensorarrays bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel können die schwarzen Pixel, da die schwarzen Pixel wenig oder kein Licht empfangen, verwendet werden, um eine Referenzausgabe für die Kalibrierung benachbarter Pixel bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 8A umfasst ein optisches Sensorarray 112 lichtempfindliche Elemente, die unterhalb eines Interferenzfilterarrays 110 angeordnet sind. Das Interferenzfilterarray 110 umfasst hochreflektierende Interferenzfilter 114 an vorbestimmten Stellen innerhalb des Arrays. In einem Beispiel ist jeder Interferenzfilter im Interferenzarray 110 mit einem lichtempfindlichen Element im optischen Sensorarray 112 verknüpft. Das Interferenzarray 110 ist zu Darstellungszwecken getrennt vom optischen Sensorarray 112 gezeigt, in der Praxis würde das Interferenzarray 110 jedoch direkt auf der Oberfläche des optischen Sensorarrays 112 oder in unmittelbarer Nähe dazu angeordnet sein. Die hochreflektierenden Interferenzfilter 114 verhindern wirkungsvoll, dass irgendwelches Licht zu dem darunterliegenden Pixel hindurchgeht. In einem Beispiel ist der hochreflektierende Interferenzfilter 114 ein Fabry-Perot-Filter mit einem Hohlraum, der zwischen zwei Spiegeln mit einer Dicke von ¼ Wellenlänge angeordnet ist, wodurch er hochreflektierend ist und Licht wirkungsvoll daran hindert, zu dem darunterliegenden Pixel hindurchzugehen.
8B-8D zeigen das Verfahren zum Ausbilden eines Doppel-Bragg-Stapel-Spiegels. In einem Beispiel können schwarze Pixel einen Doppel-Bragg-Stapel-Spiegel aufweisen.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von optischen Sensoren (lichtempfindliche Elemente 28A -28B), die in einem Array auf einem integrierten Schaltungssubstrat 46 angeordnet sind, wobei eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern auf dem Array von optischen Sensoren angeordnet ist. In dem Beispiel umfasst ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen, und jeder Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Interferenzfiltern mit einem räumlichen Bereich eines Bildmotivs verknüpft ist. In einem Beispiel umfasst ein Satz von Interferenzfiltern auch einen Interferenzfilter, der dazu eingerichtet ist, Licht im Wesentlichen zu reflektieren, wobei der Interferenzfilter, der dazu eingerichtet ist, Licht im Wesentlichen zu reflektieren, an einer vorbestimmten Position relativ zu dem optischen Sensorarray angeordnet ist.
In einem Beispiel kann der Interferenzfilter, der dazu eingerichtet ist, Licht im Wesentlichen zu reflektieren (wie der schwarze Stapel-Spiegel 118 in jeder der 8B-8D), einen Doppel-Bragg-Stapel-Filter umfassen, wobei ein Doppel-Bragg-Stapel-Filter ein Interferenzfilter mit einem Paar von Spiegeln ist, die durch einen Hohlraum getrennt sind (wie das Hohlraummaterial 120 in jeder der 8B-8D). In einem Beispiel sind ein oder mehrere Prozessoren (nicht gezeigt) mit dem Sensorsystem 10 gekoppelt, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren dazu ausgelegt sind, einen oder mehrere optische Sensoren im optischen Sensorarray basierend auf einer Ausgabe von einem optischen Sensor zu kalibrieren, der mit dem Interferenzfilter verknüpft ist, der dazu eingerichtet ist, Licht im Wesentlichen zu reflektieren.
In einem weiteren konkreten Betriebs- und Implementierungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Ausbilden eines optischen Sensors das Abscheiden eines ersten Spiegelmaterials auf einem Array von lichtempfindlichen Elementen und fährt mit dem Abscheiden einer Schicht aus Hohlraummaterial auf der ersten Spiegelschicht fort. Das Verfahren fährt dann fort mit dem selektiven Ätzen des Hohlraummaterials an einer Vielzahl von vorbestimmten Positionen auf dem Array von lichtempfindlichen Elementen auf im Wesentlichen 1/4 einer vorbestimmten Wellenlänge von Licht, das auf das Array einfällt. In einem Beispiel ist jede vorbestimmte Position der Vielzahl von vorbestimmten Positionen mit einem lichtempfindlichen Element des Arrays von lichtempfindlichen Elementen verknüpft. Das Verfahren fährt dann damit fort, dass ein zweites Spiegelmaterial auf dem geätzten Hohlraummaterial abgeschieden wird.
9A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Filter- und Sensorarrays. In der Figur weist ein Substrat 138 eine Vielzahl von Sensoren (Pixel 136 #1, 2 und #3) in einem Sensorarray auf. Eine Back-End-of-Line (BEOL)-Schicht 134 ist auf dem Substrat 138 mit Pixeln 136 #1, 2 und #3 angeordnet und ist wiederum von einem Spiegel 132B von Interferenzfiltern 138 #1, 2 und #3 bedeckt. Die Interferenzfilter 138 #1, 2 und #3 weisen jeweils einen Hohlraum 134 und einen oberen Spiegel 132A auf. In einem Beispiel ist der Hohlraum 134 in jedem der Interferenzfilter 138 #1, 2 und #3 mit einer unterschiedlichen Dicke ausgebildet, um Licht in einem anderen Wellenlängenbereich für jeden der darunterliegenden Pixel 136 #1, 2 und #3 durchzulassen. Wie dargestellt kann einfallendes Licht 130 durch einen Interferenzfilter, wie beispielsweise den Interferenzfilter 138 #2, hindurchgehen, während es an einem Pixel neben dem gewünschten Pixel, wie beispielsweise dem Pixel 136 #1, erfasst wird. In einem Beispiel verschlechtern diese parasitären Lichtwellenlängen die Sensorleistung.
9B zeigt eine weitere seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Filter- und Sensorarrays, wobei ein Kanal zwischen benachbarten Interferenzfiltern ausgeätzt wurde. Wie in 9A weist in der Figur ein Substrat 138 eine Vielzahl von Sensoren (Pixel 136 #1, 2 und #3) in einem Sensorarray auf. Eine Back-End-of-Line (BEOL)-Schicht 134 ist auf dem Substrat 138 mit Pixeln 136 #1, 2 und #3 angeordnet und ist wiederum von einem Spiegel 132B von Interferenzfiltern 138 #1, 2 und #3 bedeckt. Die Interferenzfilter 138 #1, 2 und #3 weisen jeweils einen Hohlraum 134 und einen oberen Spiegel 132A auf. In dem Beispiel ist der Hohlraum 134 in jedem der Interferenzfilter 138 #1, 2 und #3 mit einer unterschiedlichen Dicke ausgebildet, um Licht in einem anderen Wellenlängenbereich für jeden der darunterliegenden Pixel 136 #1, 2 und #3 durchzulassen, und ein Kanal ist zwischen jedem der Interferenzfilter 138 #1, 2 und #3 geätzt. Wie dargestellt wird einfallendes Licht 130, anstatt durch einen Interferenzfilter, wie beispielsweise den Interferenzfilter 138 #2, hindurchzugehen und an einem Pixel neben dem gewünschten Pixel erfasst zu werden, an der Seitenwand des Interferenzfilters 138 #2 in Richtung des Pixels 136 #2 reflektiert.
In einem Beispiel, das sich auf 9B bezieht, kann ein Luftspalt zwischen den Interferenzfiltern 138 #1, 2 und #3 ein Lichtrohr zwischen den Interferenzfiltern erzeugen, wobei der Brechungsindex der Luft dazu dient, mindestens einen Teil des Lichts, das aus unerwünschten Winkeln eintrifft, durch Induzieren einer internen Totalreflexion (total internal reflection, TIR) zurückzuweisen In einem Beispiel tritt TIR auf, wenn Lichtwellen im Hohlraum eines Interferenzfilters die Grenze mit der Luft in einem ausreichend schrägen Winkel erreichen, wodurch die Lichtwellen wie von einem Spiegel reflektiert werden. In einem weiteren Beispiel wird anstelle eines Luftspalts der Hohlraum zwischen den Interferenzfiltern 138 #1 - #3 mit einem anderen Material gefüllt. In einem weiteren Beispiel sind die Seitenwände der Interferenz an der Grenze des Luftspalts (oder Hohlraums) nicht senkrecht zur oberen Fläche des Substrats.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein optisches Sensorsystem eine Vielzahl von optischen Sensoren auf einer integrierten Schaltung und eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jeder Interferenzfilter des Satzes von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel weist jeder Interferenzfilter eine zugehörige obere Fläche, eine zugehörige untere Fläche und vier zugehörige Seitenflächen auf, und jeder der Interferenzfilter ist auf mindestens zwei Seitenflächen von benachbarten Interferenzfiltern durch einen Luftspalt getrennt. In einem Beispiel wird der Luftspalt unter Verwendung eines Ätzverfahrens erzeugt, wobei das Ätzverfahren eines oder mehrere von einem Flüssigätzen (liquid etch), Plasmaätzen (plasma etch), einschließlich eines reaktiven Ionentiefätzens (deep reactive ion etching, DRIE) und Ionenfräsens (ion milling) sein kann.
10 zeigt eine Darstellung der Spektralantwort eines Fabry-Perot-Interferenzfilters, der Transmissionsmaxima für verschiedene Ordnungen konstruktiver Interferenz zeigt. In einem Beispiel ist ein typischer optischer Sperrfilter so ausgelegt, dass er ein schmales Transmissionsfenster aufweist, das die Transmission durch den Filter im Wesentlichen auf Wellenlängen begrenzt, die einer einzelnen Ordnung des Filters entsprechen. In einem alternativen Beispiel können optische Sperrfilter mit einem breitbandigen Transmissionsfenster (Breitbandsperrfilter, wide band rejection filters) es parasitären Signale ermöglichen, einen Interferenzfilter, wie beispielsweise einen Fabry-Perot-Filter, zu erreichen, wobei die parasitären Signale beispielsweise Harmonische höherer Ordnung des Fabry-Perot-Filters sein können. In einem Implementierungsbeispiel können durch geeignete Kombination von Breitbandsperrfiltern und Fabry-Perot-Filtern parasitäre Signale als zusätzliche Wellenlängenfenster verwendet werden.
In einem konkreten verwandten Implementierungsbeispiel umfasst ein optisches Sensorsystem ein Array von optischen Sensoren, die auf einer integrierten Schaltung angeordnet sind, wobei das Array von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche aufweist. In einem Beispiel umfasst das Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei jeder Interferenzfilter des Satzes von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen, wobei die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern nahe der oberen Fläche des Arrays von optischen Sensoren angeordnet ist. In einem weiteren Beispiel umfasst das Sensorsystem einen oder mehrere Sperrfilter, die jeweils eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweisen, wobei die obere Fläche und die untere Fläche des einen oder der mehreren Sperrfilter nahe der oberen Fläche des Arrays von optischen Sensoren angeordnet sind, wobei jeder des einen oder der mehreren Sperrfilter eine zugehörige obere Bandpassgrenze und eine zugehörige untere Bandpassgrenze aufweist, und der eine oder die mehreren Sperrfilter dazu eingerichtet sind, Lichtwellenlängen außerhalb der oberen Bandpassgrenze und der unteren Bandpassgrenze im Wesentlichen zurückzuweisen. In einem Beispiel werden die obere Bandpassgrenze und die untere Bandpassgrenze des einen oder der mehreren Sperrfilter so gewählt, dass Wellenlängen innerhalb einer Anzahl X Ordnungen konstruktiver Interferenz für Lichtwellenlängen durchgelassen werden, die von einem entsprechenden Interferenzfilter des Satzes von Interferenzfiltern durchgelassen werden. In einem spezifischen Beispiel umfasst die Anzahl X Ordnungen konstruktiver Interferenz für Lichtwellenlängen, die von dem mindestens einen Interferenzfilter durchgelassen werden, mindestens eine Harmonische höherer Ordnung des entsprechenden Interferenzfilters. In einem anderen Beispiel sind ein oder mehrere optische Sensoren des Arrays von optischen Sensoren dazu ausgelegt, Lichtwellenlängen zu erfassen, die in der Anzahl X Ordnungen konstruktiver Interferenz für Lichtwellenlängen, die von mindestens einem Interferenzfilter durchgelassen werden, enthalten sind.
11A zeigt Transmissionsspektren von beispielhaften plasmonischen Filtern, die in diesem Fall aus periodischen Subwellenlängen-Löchern in einem Aluminiumfilm bestehen. 11B zeigt die jeweiligen Transmissionsausgaben für plasmonische Filter über einen bestimmten Wellenlängenbereich. In dem Beispiel sind die plasmonischen Filter dazu ausgelegt, Wellenlängen für die plasmonischen Filter als Funktion der Periode in Nanometern (nm) durchzulassen. Wie dargestellt, können plasmonische Sperrfilter breite Transmissionsbänder bereitstellen. In einem Implementierungsbeispiel kann eine Vielzahl von plasmonischen Sperrfiltern auf Interferenzfiltern integriert sein. In einem konkreten Beispiel können ein oder mehrere plasmonische Filter und ein oder mehrere Fabry-Perot-Filter (oder ein anderer Interferenzfiltertyp) gepaart sein, um eine Bandauswahl für eine optische Sensorvorrichtung bereitzustellen.
11C zeigt eine beispielhafte seitliche Querschnittsansicht eines integrierten Interferenzfilter- und plasmonischen Sperrfilter-Paars mit einem plasmonischen Sperrfilter, der entweder oberhalb oder unterhalb des Interferenzfilters angeordnet ist. In einem Beispiel wird eine Back-End-of-Line (BEOL)-Metallisierung (Dünnfilmschicht 234) auf einem Substrat 226 auf einem Halbleiter-Die bereitgestellt. In dem Beispiel kann eine plasmonische Sperrschicht (plasmonischer Sperrfilter 223) auf der BEOL-Schicht angeordnet sein, mit einem Interferenzfilter (Spektralfilter 222), wie einem Fabry-Perot-Filter, der auf der plasmonischen Sperrschicht angeordnet ist. In einem alternativen Beispiel kann ein Interferenzfilter auf der BEOL-Schicht angeordnet sein, mit einer plasmonischen Sperrschicht, die auf dem Interferenzfilter angeordnet ist.
In einem Beispiel können nanoskalige auf Halbleitermaterial basierende Filter, wie Dünnfilm-Quantenpunkte, unter Verwendung von Dünnfilmen mit schmaler Bandlücke (narrow bandgap thin films) hergestellt werden, die mit herkömmlicher Halbleiterverarbeitung kompatibel sind. In einem Beispiel können Dünnfilm-Quantenpunkte unterschiedlicher Größe verwendet werden, um Filterantworten über ein vorbestimmtes Spektrum bereitzustellen, wobei die Granularität und Spektrumsbandbreite des Dünnfilms durch die Anzahl und Größe der Quantenpunkte bestimmt wird. Die Quantenpunkte können entweder epitaktische Quantenpunkte und/oder kolloidale Quantenpunkte sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Nanoskalige Halbleiterelemente können eines oder mehrere von Quantenpunkten, kolloidalen Nanopartikeln, CdSe-Nanokristallen und ZnS-Nanokristallen usw. umfassen. In einem konkreten Implementierungsbeispiel können die nanoskaligen Halbleiterelemente in verschiedenen „Punkt“-Größen ausgebildet sein, wobei die Punktgröße die Wellenlänge der Spektralantwort für ein bestimmtes nanoskaliges Filterelement vorgibt. In dem Beispiel sind verschiedene Punktgrößen auf dem Sensorsystem verteilt, um ein Spektrum mit einer gegebenen Bandbreite und Granularität bereitzustellen.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von optischen Sensoren, die auf einer integrierten Schaltung angeordnet sind, wobei das Array von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche und eine Vielzahl von nanoskaligen Halbleiterfiltern auf der integrierten Schaltung aufweist, die dazu eingerichtet sind, Licht in verschiedenen Wellenlängenbändern zu filtern.
In einem verwandten Beispiel können nanoskalige Halbleitermaterialien, wie Dünnfilm-Quantenpunkte, zusammen mit Interferenzfiltern, wie Fabry-Perot-Filtern, verwendet werden, um die Wellenlängenselektivität eines Lichtfiltersystems zu erhöhen. In einem Beispiel können Dünnfilm-Quantenpunkte auf Interferenzfiltern integriert sein, wobei die Quantenpunkte beispielsweise epitaktisch „aufgewachsen“ und/oder in Form von kolloidalen Quantenpunkten abgeschieden sind.
In einem weiteren verwandten Beispiel werden Dünnfilm-Quantenpunkte mit Interferenzfiltern in einer Rückseitenkonfiguration für eine erweiterte Wellenlängendetektion verwendet, wie beispielsweise für eine kurzwellige Infrarot-Detektion (short-wave infrared, SWIR). In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von optischen Sensoren, eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern und eine Vielzahl von nanoskaligen Halbleiterfiltern, die auf der Rückseite der integrierten Schaltung vorgesehen sind. In dem Beispiel liegt die Rückseite der integrierten Schaltung einer Seite der integrierten Schaltung mit einer Verdrahtung gegenüber. In einem Beispiel umfasst das Sensorsystem einen Bildsensor mit rückwärtiger Belichtung (backside illumination image sensor). Ein rückseitig belichteter Sensor, auch als Sensor mit rückwärtiger Belichtung (backside illumination (BSI oder BI) sensor) bekannt, verwendet die neuartige Anordnung der Abbildungselemente auf der Rückseite der integrierten Schaltung, die einen Bildsensor umfasst, um die Menge des erfassten Lichts zu erhöhen und dadurch die Leistung bei schwachem Licht zu verbessern. Die verringerte Lichterfassung in einem vorderseitigen (herkömmlichen) Sensor ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, dass die Matrix einzelner Bildelemente und ihre Verdrahtung einen Teil des Lichts reflektieren, und somit kann der Sensor nur den Rest des eingehenden Lichts empfangen, da die Reflexion das Signal reduziert, das zur Erfassung verfügbar ist.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von optischen Sensoren und eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern mit einer Vielzahl von nanoskaligen Halbleiterfiltern, die auf der Rückseite einer integrierten Schaltung vorgesehen sind, wobei die Rückseite eine Oberfläche einer integrierten Schaltung gegenüber einer Verdrahtung ist.
In einem konkreten verwandten Beispiel können Interferenzfilter von einem Filtersubstrat auf ein Substrat transfergedruckt werden, das Lichterfassungselemente umfasst (Detektorsubstrat). In einem weiteren verwandten Beispiel können Fabry-Perot-Filter, die auf einem Siliziumsubstrat hergestellt wurden, auf ein Detektorsubstrat für kurzwellige Infrarot-Wellenlängen (short-wave infrared, SWIR), wie etwa ein InGaAs-Substrat, transfergedruckt werden. In einem Beispiel sind die Wafergröße des Filtersubstrats und des Detektorsubstrats unterschiedlich, wobei beispielsweise ein Filtersubstrat unter Verwendung eines 8-Zoll-Wafers hergestellt werden kann, während ein InGaAs-basiertes Detektorsubstrat unter Verwendung eines 6-Zoll-Wafers hergestellt werden kann. In einem weiteren Beispiel werden Sperrfilter auf Interferenzfilter, wie Fabry-Perot-Filter, transfergedruckt. In noch einem weiteren Beispiel werden mikrooptische Elemente, wie etwa Linsen, Aperturen oder kollimierende Elemente, auf optische Filter transfergedruckt.
In noch einem weiteren Beispiel können Dünnfilm-Quantenpunkte auf wellenlängenselektiven Spiegeln, wie etwa den Spiegeln eines Bragg-Spiegels (siehe 9A und 9B), verwendet werden. In einem konkreten Beispiel sind die Dünnfilm-Quantenpunkte als Elemente eines Interferenzfilters, wie etwa eines Fabry-Perot-Filters, ausgebildet. In dem Beispiel ist ein dielektrischer Spiegel, auch als Bragg-Spiegel bekannt, ein Spiegel, der aus mehreren dünnen Schichten aus dielektrischem Material aufgebaut ist. In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von optischen Sensoren, die auf einer integrierten Schaltung angeordnet sind, wobei die Vielzahl von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche aufweist, mit einer Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei jeder Interferenzfilter des Satzes von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel ist die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern nahe der oberen Fläche der Vielzahl von optischen Sensoren angeordnet, wobei die Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in verschiedenen Wellenlängenbändern zu filtern. In dem Beispiel umfasst jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Spiegeln, wobei mindestens ein Spiegel der Vielzahl von Spiegeln nanoskaliges Halbleitermaterial umfasst. In einem Beispiel ist mindestens einer der Interferenzfilter ein Fabry-Perot-Filter. In einem weiteren Beispiel ist das nanoskalige Halbleitermaterial dazu eingerichtet, einen Wellenlängenbereich von mindestens einem Interferenzfilter im Vergleich zu einem Interferenzfilter, der kein nanoskaliges Halbleitermaterial umfasst, zu verringern.
Unter Bezugnahme auf die 5a und 11A-C kann Wellenlängenselektivität unter Verwendung von Bandpassfiltern zu einem Informationsverlust in Wellenlängenbändern führen, die gefiltert werden. Anders ausgedrückt, wird ein Teil der Informationen, die in einem Bild eines Objekts und/oder eines Bildmotivs enthalten sind, das auf einen multispektralen Bandpassfilter projiziert wird, von den Bandpassfiltern zurückgewiesen, wenn diese Informationen nicht in den relevanten Bandpasswellenlängen enthalten sind, und geht daher aus dem projizierten Bild verloren.
In einem Beispiel kann Wellenlängenmultiplexing (wavelength division multiplexing, WDM), entweder durch räumliche Aufteilung oder durch zeitliche Aufteilung, verwendet werden, um Wellenlängenselektivität ohne den Verlust von Informationen, der der Bandpassfilterung inhärent ist, bereitzustellen. WDM wird bei optischer Kommunikation verwendet, um eine Anzahl von optischen Trägersignalen auf eine einzelne optische Faser zu multiplexen, indem verschiedene Lichtwellenlängen verwendet werden. In einem Beispiel ermöglicht WDM das Kombinieren von Signalen mit verschiedenen Wellenlängen, wie etwa Lasern oder LEDs mit verschiedenen Mittenwellenlängen (central wavelengths, CWL), unter Verwendung eines Multiplexers und dann das Senden des Signals durch die optische Faser. Die kombinierten Signale können dann mit einem Demultiplexer in Wellenlängen getrennt werden, bevor die Signale ein Sensorsystem erreichen.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Spektralsensorsystem einen Multiplexer, der dazu eingerichtet ist, einfallendes Licht in ein wellenlängengemultiplextes optisches Signal zu multiplexen, und eine optische Leitung, die dazu eingerichtet ist, das wellenlängengemultiplexte optische Signal zu übertragen. In einem Beispiel umfasst das Sensorsystem einen Demultiplexer, der dazu eingerichtet ist, das wellenlängengemultiplexte optische Signal in Wellenlängen zu trennen, und eine Vielzahl von optischen Sensoren, die auf einer integrierten Schaltung angeordnet sind, wobei die Vielzahl der optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche aufweist, wobei jeder optische Sensor der Vielzahl von optischen Sensoren dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Lichtwellenlängen von dem Demultiplexer zu erfassen und einem oder mehreren Prozessoren, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren dazu ausgelegt sind, eine Spektralantwort für das einfallende Licht bereitzustellen.
In einem verwandten Beispiel wird das Demultiplexen unter Verwendung eines oder mehrerer Mikrogitterarrays ausgeführt, wobei jedes Mikrogitterarray eine Vielzahl von Beugungsgittern umfasst. In einem Beispiel ist ein Beugungsgitter eine optische Komponente mit einer periodischen Struktur, die Licht in mehrere, in unterschiedliche Richtungen propagierende Strahlen aufteilt und beugt. Die Richtungen der Strahlen hängen vom Abstand des Gitters und der Wellenlänge des Lichts ab, so dass das Gitter als das dispersive Element wirkt. In einem weiteren konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensorsystem ein Mikrogitterarray mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, wobei das Mikrogitterarray eine Vielzahl von Beugungsgittern umfasst und jedes Beugungsgitter der Vielzahl von Beugungsgittern dazu eingerichtet ist, einfallendes Licht in eine Vielzahl von Wellenlängen zu beugen. In einem Beispiel umfasst das Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, wobei die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche aufweist, wobei die obere Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren nahe einem Mikrogitterarray ist und wobei jeder optische Sensor eines Satzes von optischen Sensoren dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Wellenlängen zu erfassen, die von einem Beugungsgitter der Vielzahl von Beugungsgittern aufgeteilt wurden. In einem weiteren Beispiel wird das Mikrogitter durch ein mikrodispersives optisches Element, wie beispielsweise ein metamaterialbasiertes dispersives Element, ersetzt.
12A zeigt eine beispielhafte seitliche Querschnittsansicht eines Abbildungssystems mit einem Mikrolinsenarray 238 und einem Mikrogitterarray 240. Das Abbildungssystem umfasst ein optisches Element 236 zum Projizieren eines Bildmotivs oder eines Objekts (wie beispielsweise ein Mikroregenbogenarray-Muster 242) auf einen Bildwandler 244, wobei ein Mikrolinsenarray 238 zwischen dem optischen Element 236 und dem Bildwandler 244 angeordnet ist. In einem Beispiel kann das Mikrolinsenarray 238 eine Vielzahl von Formen umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, spaltlose Linsen, Dualface-Linsen und quadratische Linsen, und kann ferner eine Linsenraum-Lichtabschirmung umfassen.
Interferenzbasierte Filter, wie beispielsweise Fabry-Perot-Filter, sind bekanntermaßen empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel von einfallendem Licht. In einem Beispiel können die Mittenwellenlänge und die Breite des Spektrums, das durch interferenzbasierte Filter hindurchgeht, stark vom Einfallswinkel abhängen. In einem Beispiel können Spektralsysteme mit einem oder mehrere Arrays von interferenzbasierten Filtern, auf die Licht aus einem breiten Sichtfeld trifft, besonders empfindlich gegenüber Einfallswinkelunterschieden auf verschiedenen Bereichen des interferenzbasierten Filterarrays sein. In einem Beispiel kann ein über verschiedene Bereiche des interferenzbasierten Filterarrays erfasstes Spektrum Mittenwellenlängen und - breiten ergeben, die unerwünscht sind.
12B zeigt eine Seitenansicht einer Linse 44, die dazu ausgelegt ist, einfallendes Licht 130 auf einen Bildsensor (nicht dargestellt) umzulenken. In einem Beispiel können eine oder mehrere Linsen verwendet werden, um den Einfallswinkel von einfallendem Licht auf einem Array von interferenzbasierten Filtern zu verengen. In dem Beispiel können eine oder mehrere Linsen verwendet werden, um einfallende Lichtstrahlen, die aus breiten Winkeln in der Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Bildsensors kommen, umzulenken, wodurch ein im Wesentlichen kollimierter Strahl erzeugt wird. In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel, unter Verweis auf 1, weist ein Gehäuse 16 mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Gehäuseöffnung 12 aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden. In einem Beispiel sind eine oder mehrere Linsen auf der Gehäuseöffnung 12 angeordnet, wobei die eine oder mehreren Linsen dazu ausgelegt sind, einfallendes Licht in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zur oberen Fläche des Gehäuses 16 umzulenken.
In einem Beispiel ist ein Substrat 26 mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats 26 mit der unteren Fläche des Gehäuses 16 gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 auf der oberen Fläche des Substrats 26 angeordnet ist. In dem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 angeordnet, wobei ein Satz von Spektralfiltern der Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern eine Vielzahl von Spektralfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, so dass jeder Spektralfilter der Vielzahl von Spektralfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen.
12C zeigt eine Seitenansicht eines Mikrostrukturarrays 246, das dazu ausgelegt ist, einfallendes Licht 130 auf einen Bildsensor (nicht dargestellt) umzulenken. In dem Beispiel können ein oder mehrere Mikrostrukturarrays verwendet werden, um den Einfallswinkel von einfallendem Licht auf einem Array von interferenzbasierten Filtern zu verengen. In dem Beispiel können ein oder mehrere Mikrostrukturarrays verwendet werden, um einfallende Lichtstrahlen in einer senkrechten Richtung umzulenken, wodurch ein im Wesentlichen kollimierter Strahl erzeugt wird. In einem Beispiel können die Mikrostrukturarrays Fresnel-Linsen und/oder Mikrospiegeln umfassen. 12D zeigt eine Seitenansicht eines Mikrospiegelarrays (Mikrospiegel 248), das dazu ausgelegt ist, einfallendes Licht 130 auf einen Bildsensor (nicht dargestellt) umzulenken. In einem konkreten Implementierungsbeispiel können ein oder mehrere Mikrostrukturarrays unter Verwendung eines Mikroprägeprozesses hergestellt werden. In einem weiteren konkreten Implementierungsbeispiel können ein oder mehrere Mikrostrukturarrays unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses hergestellt werden einschließlich reflektierender Beschichtungen.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel, unter Verweis auf 1, weist ein Gehäuse 16 mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Gehäuseöffnung 12 aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden. In einem Beispiel sind eine oder mehrere Mikrostrukturen auf der Gehäuseöffnung 12 angeordnet, wobei die Mikrostrukturen dazu ausgelegt sind, einfallendes Licht in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zur oberen Fläche des Gehäuses 16 umzulenken.
In einem Beispiel ist ein Substrat 26 mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats 26 mit der unteren Fläche des Gehäuses 16 gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 auf der oberen Fläche des Substrats 26 angeordnet ist. In dem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern als eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern (Spektralfilter 22) ausgebildet, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist und auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 angeordnet ist, wobei ein Satz von Spektralfiltern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von Spektralfiltern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder Spektralfilter der Vielzahl von Spektralfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen.
12E zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften Bildwandlers 144, der dazu ausgelegt ist, eine gekrümmte Oberfläche zum Auffangen von einfallendem Licht 130 bereitzustellen. In einem Beispiel weist ein Bildwandler eine Vielzahl von Interferenzfiltern 142 auf, die auf einer Vielzahl von Bildsensoren auf einem Substrat hergestellt worden sind, wobei das Substrat anschließend zu einer vorbestimmten Krümmung gebogen oder gekrümmt worden ist. In dem Beispiel wird die Krümmung des Substrats basierend auf dem Bereich von Eintrittswinkeln für Licht, das aufgefangen wird, bestimmt, so dass relativ gesehen größere Lichtwinkel einen engeren Einfallswinkelbereich auf interferenzbasierten Filtern haben, bevor sie an den Bildsensoren aufgefangen werden. In einem Beispiel kann das gekrümmte Bildwandlersubstrat die Mittenwellenlängen- und Spektrumsbreitenabhängigkeit des Bildwandlers von größeren Einfallswinkeln reduzieren.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. Die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern ist auf einer Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, wobei die Vielzahl von Sätzen von lichtempfindlichen Elementen auf einem gekrümmten Substrat angeordnet ist. In einem konkreten verwandten Beispiel werden die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern und die Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf dem Substrat hergestellt, bevor eine Krümmung in das Substrat eingebracht wird. In einem weiteren konkreten Beispiel umfasst jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern eine Vielzahl von zugehörigen Seiten, und jeder optische Filter ist auf den zugehörigen Seiten von einem benachbarten optischen Filter durch einen Luftspalt getrennt.
12F zeigt eine Seitenansicht eines weiteren beispielhaften Bildwandlers, der dazu ausgelegt ist, eine gekrümmte Oberfläche zum Auffangen von einfallendem Licht bereitzustellen. In einem Beispiel umfasst ein Bildwandler eine Vielzahl von relativ gesehen kleineren Segmenten von Spektralsensoren (Spektralfilter mit lichtempfindlichen Elementen 228), wobei die Oberfläche jedes einzelnen Segments in Bezug auf die Oberfläche benachbarter Segmente leicht gedreht ist. In einem Beispiel sind die einzelnen Segmente basierend auf einem gewünschten Bereich von Eintrittswinkeln für Licht (einfallendes Licht 130), das aufgefangen wird, dazu eingerichtet, dass relativ gesehen größere Lichtwinkel einen engeren Einfallswinkelbereich auf interferenzbasierten Filtern haben, bevor sie an den Bildsensoren aufgefangen werden. In einem Beispiel werden die einzelnen Segmente hergestellt, bevor sie auf einem gekrümmten Substrat oder Platte platziert werden, wobei das Substrat oder die Platte zu einer vorbestimmten Krümmung gekrümmt ist. In einem verwandten Beispiel ist das Substrat oder die Platte auf einer einzelnen Ebene gekrümmt. In einem weiteren Beispiel ist das Substrat oder die Platte auf mehr als einer einzelnen Ebene gekrümmt.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. Die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern ist auf einer Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, wobei die Vielzahl von Sätzen von lichtempfindlichen Elementen auf einem gekrümmten Substrat angeordnet ist. In einem konkreten verwandten Beispiel werden die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern und die Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf dem Substrat hergestellt, bevor eine Krümmung in das Substrat eingebracht wird. In einem weiteren konkreten Beispiel umfasst jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern eine Vielzahl von zugehörigen Seiten, und jeder optische Filter ist auf den zugehörigen Seiten von einem benachbarten optischen Filter durch einen Luftspalt getrennt.
13 ist ein Mikrograph einer beispielhaften konvexen Mikrolinse, während 14 ein Mikrograph einer beispielhaften konkaven Mikrolinse ist. In einem Beispiel ist ein Mikrogitterarray zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Bildwandler angeordnet. In einem Beispiel fungiert das Mikrogitterarray als Demultiplexer vor einem Array von lichtempfindlichen Elementen auf dem Bildwandler. Das Mikrogitterarray trennt Wellenlängen, die von einem abgebildeten Bildmotiv kommen, und sendet jede Wellenlänge an ein bestimmtes lichtempfindliches Element.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, wobei die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist. Das Sensorsystem umfasst ferner ein Mikrogitterarray, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, und ein Mikrolinsenarray, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei die untere Fläche des Mikrogitterarrays zwischen der unteren Fläche des Mikrolinsenarrays und der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren angeordnet ist. In einem Beispiel ist jeder optische Sensor eines Satzes von optischen Sensoren dazu eingerichtet, eine oder mehrere Wellenlängen zu erfassen, die von einem Beugungsgitter der Vielzahl von Beugungsgittern aufgeteilt wurden.
In einem konkreten Beispiel umfasst das Sensorsystem auch ein Mikrokollimatorarray, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, zusammen mit einem Array von Absorptionsfiltern, wobei die untere Fläche des Mikrokollimatorarrays auf dem Array von Absorptionsfiltern angeordnet ist. In einem alternativen Beispiel umfasst das Sensorsystem ein plasmonisches Kollimator-Array, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, und ein Array von Absorptionsfiltern, wobei die untere Fläche des plasmonischen Kollimator-Arrays auf dem Array von Absorptionsfiltern angeordnet ist. In einem verwandten Beispiel umfasst jeder plasmonische Kollimator des plasmonischen Kollimator-Arrays eine Nanostruktur, die dazu eingerichtet ist, divergierendes eingehendes Licht in einen Lichtstrahl einzukoppeln.
In noch einem weiteren Beispiel umfasst das Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei jeder Interferenzfilter des Satzes von Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen, und wobei die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern auf der oberen Fläche des Arrays von optischen Sensoren angeordnet ist. In einem verwandten Beispiel ist jeder Interferenzfilter des Satzes von Interferenzfiltern mit einem Kollimator eines Kollimator-Arrays verknüpft. In einem weiteren verwandten Beispiel ist jeder Satz von Interferenzfiltern mit einem oder mehreren Beugungsgittern des Mikrogitterarrays verknüpft. In noch einem weiteren verwandten Beispiel ist jeder Interferenzfilter des Satzes von Interferenzfiltern mit einer oder mehreren Wellenlängen der Vielzahl von Wellenlängen verknüpft, die von einem Mikrobeugungsgitter des Mikrogitterarrays aufgeteilt wurden.
In einem verwandten Beispiel können plasmonische Kollimatoren verwendet werden, um Licht in einem Sensorsystem mit integrierten Filtern und den Lichterfassungselementen zu lenken. In einem Beispiel können plasmonische Kollimatoren Nanostrukturen sein, die divergierendes (schrägwinkliges) eingehendes Licht in einen Lichtstrahl mit einer kleinen Divergenz einkoppeln können, wodurch das eingehende Licht wirkungsvoll kollimiert wird. Plasmonische Kollimatoren können aufgrund ihrer Struktur eine geringe Dicke aufweisen und können metallbasierte und linsenbasierte Kollimatoren ersetzen.
In einem konkreten Betriebsbeispiel umfasst ein Verfahren das Empfangen von einfallendem Licht an einem Mikrolinsenarray, wobei jede Linse des Mikrolinsenarrays mit einem oder mehreren Beugungsgittern eines Mikrogitterarrays verknüpft ist und wobei das Mikrolinsenarray nahe dem Mikrogitterarray angeordnet ist. Das Verfahren fährt fort mit dem Brechen, mittels einer Linse des Mikrolinsenarrays, des empfangenen einfallenden Lichts in einen fokussierten Lichtstrahl und dem Trennen, mittels eines Beugungsgitters eines Mikrogitterarrays, des fokussierten Lichtstrahls in eine Vielzahl von Lichtspektren. Das Verfahren fährt fort mit dem Abtasten jedes Lichtspektrums der Vielzahl von Lichtspektren mittels eine Satzes von Spektralsensoren der Vielzahl von Sätzen von Spektralsensoren, wobei jeder Spektralsensor der Vielzahl von Sätzen von Spektralsensoren räumlich von jedem anderen Spektralsensor der Vielzahl von Sätzen von Spektralsensoren getrennt ist. In einem verwandten Beispiel wird das einfallende Licht auf das Mikrolinsenarray durch ein oder mehrere optische Elemente, wie beispielsweise eine einfache oder zusammengesetzte Linse, projiziert.
In einem Implementierungs- und Betriebsbeispiel kann ein Sensorsystem einen Demultiplexer verwenden, um Wellenlängen von einer optischen Faser räumlich zu trennen. In dem Beispiel trennt der Demultiplexer die verschiedenen Wellenlängen, die in der optischen Faser übertragen werden, in unmittelbarer Nähe zu einem integrierten Filtersystem, wobei jede Wellenlänge (oder jeder Wellenlängenbereich) auf einen entsprechenden Filter eines integrierten Filtersystems gelenkt wird. In einem Beispiel kann ein integriertes Filtersystem mit einer Vielzahl von optischen Fasern gekoppelt sein, um eine Wellenlängentrennung bereitzustellen.
15 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines Sensormoduls 10, das ein Gehäuse 216 mit einer Gehäuseöffnung 212 aufweist. Lichtempfindliche Elemente (Sensoren) 228 sind in einem Substrat 226 eingebettet. Ein Spektralfilter 222 weist mehrere Spektralfilterelemente auf, die auf einem Lichtsensor 224 integriert sind. Eine nanoskalige Linse 218 ist innerhalb des Hohlraums des Sensormoduls 10 angeordnet. In einem Beispiel können Einfallswinkelvorrichtungen, wie etwa Mikrolinsen, Lichtrohre und Kollimatoren, verwendet werden, um die Leistung, wie etwa die Quanteneffizienz (quantum efficiency, QE), eines Sensorsystems zu verbessern, indem der Einfallswinkel von Licht gesteuert wird, bevor es die integrierten Filter und Lichterfassungselemente des Sensorsystems erreicht. Wenn sie in Gehäusestrukturen, wie etwa dem Gehäuse 216 von 15, integriert sind, kann die Dicke von Einfallswinkelvorrichtungen zu größeren Gehäusestrukturen führen. In einem Beispiel kann eine nanoskalige Linse, wie etwa die nanoskalige Linse 218 von 15, die Verwendung von dünneren Gehäusestrukturen ermöglichen.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Öffnung aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden. In dem Beispiel ist ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats mit der inneren unteren Fläche des Behältnisses gekoppelt ist. In einem Beispiel ist eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet, wobei die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, die auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet ist, ausgebildet ist. In einem Beispiel umfasst ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel ist/sind eine oder mehrere nanoskalige Linsen auf der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern ausgebildet und eine Abdeckung ist zumindest teilweise innerhalb der Öffnung angeordnet.
In einem Beispiel ist die nanoskalige Linse eine Fresnel-Linse und/oder eine Metamaterial-Linse. In einem weiteren Beispiel wird die nanoskalige Linse durch Ätzen der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern ausgebildet. In noch einem weiteren Beispiel wird die nanoskalige Linse auf der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern unter Verwendung von einem oder mehreren von Nassätzen (wet etch), DRIE-Ätzen (DRIE etch) oder Ionenfräsen (ion milling) geätzt. In noch einem weiteren Beispiel wird die nanoskalige Linse aus Kunststoff geformt und mit einem anderen Sensorelement verklebt oder anderweitig gekoppelt. In einem weiteren Beispiel wird die nanoskalige Linse von einem Ausgangssubstrat auf ein anderes Sensorelement, wie etwa das Detektorsubstrat, transfergedruckt.
In einem Beispiel sind Mikrolinsen, wie etwa die in 13 und 14 dargestellten Mikrolinsen, als eine einzelne Schicht ausgebildet. In einem Beispiel können mehrere Mikrolinsenschichten gestapelt werden, wodurch zusammengesetzte Mikrooptiken erzeugt werden, die Licht effizienter zu entsprechenden Filtern eines integrierten Filters des Filtersystems lenken können. Beispielhafte zusammengesetzte Mikrooptiken umfassen telezentrische Systeme und invers-telezentrische Systeme.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, wobei die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, und ein erstes Mikrolinsenarray, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei jede Linse des ersten Mikrolinsenarrays einem oder mehreren optischen Sensoren der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren zugeordnet ist. In einem Beispiel ist die untere Fläche der ersten Mikrolinsenarrayfläche auf oder in unmittelbarer Nähe zu der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren angeordnet. In dem Beispiel umfasst der Sensor ein zweites Mikrolinsenarray, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei jede Linse des zweiten Mikrolinsenarrays einer oder mehreren Linsen des ersten Mikrolinsenarrays zugeordnet ist und die untere Fläche der zweiten Mikrolinsenarrayfläche auf oder in unmittelbarer Nähe zu der oberen Fläche des ersten Mikrolinsenarrays angeordnet ist. In einem Beispiel bilden das erste Mikrolinsenarray und eine oder mehrere Linsen der zweiten Mikrolinse gemeinsam eine zusammengesetzte Linse. In einem weiteren Beispiel bilden das erste Mikrolinsenarray und eine oder mehrere Linsen der zweiten Mikrolinse gemeinsam eine telezentrische Linse und/oder eine invers-telezentrische Linse.
Unter Bezugnahme auf 15 kann in einem Beispiel die Gehäuseöffnung 212 ein makrooptisches Element umfassen. Makrooptische Elemente können verwendet werden, um empfangenes Licht in Richtung mikrooptischer Elemente zu leiten, und können dazu eingerichtet sein, das Sensorsystem vor äußeren Einflüssen, wie Staub und/oder Feuchtigkeit, zu schützen. Makrooptische Elemente können Linsen, Aperturen, Filter, Polarisatoren, Diffusoren usw. umfassen und dazu eingerichtet sein, durch mechanische und/oder elektrische Systeme gesteuert zu werden.
16A-16D zeigen verschiedene Seitenwandprofile für Lochblendenöffnungen. In einem Beispiel kann eine Lochblende, wie etwa die Lochblenden 40A-40D aus 16A-16D, verwendet werden, um eine Einfallswinkeligkeit von Licht, das in ein Sensormodul, wie etwa das Gehäuse 16, eintritt, zu steuern, jedoch kann die Dicke der Wände des Behältnisses und die teilweise Reflektivität der Oberflächen des Behältnisses dazu führen, dass unerwünschte/parasitäre Signale das Sensorsystem erreichen. In einem Beispiel kann eine Lochblende dazu eingerichtet sein, Seitenwände einer Vielzahl von Formen aufzuweisen, um parasitäre Signale, die das Sensorsystem erreichen, zu reduzieren. In einem konkreten Beispiel umfasst eine modifizierte konische Form der Lochblende mehrere Stufen, wobei jede Form dazu ausgelegt ist, die Winkeligkeit von Licht, das in ein Sensorsystem eintritt, teilweise zu steuern.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Öffnung aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche des Behältnisses einen Hohlraum bilden. In dem Beispiel ist ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats mit der inneren unteren Fläche des Behältnisses gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet ist. In einem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, die auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet ist, ausgebildet, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, und jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel sind ein oder mehrere makrooptische Elemente zumindest teilweise in der Öffnung angeordnet, wobei jedes der makrooptischen Elemente dazu ausgelegt ist, einen Einfallswinkel von Licht an der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern zu steuern.
In einem Beispiel weist jedes des einen oder der mehreren makrooptischen Elemente eine Öffnung mit einer Seitenwand auf, wobei zumindest eines des einen oder der mehreren makrooptischen Elemente dazu ausgelegt ist, den Einfallswinkel von Licht an der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern zumindest teilweise basierend auf einer Seitenwandform zu steuern. In einem Beispiel ist die Seitenwandform zumindest eines von einem Kegel, einem invertierten Kegel, einer Verzahnung, einer Reihe von konzentrischen Stufen, einer Sanduhr, einem gestapelten Kegel, einem Sägezahn, einem invertierten Sägezahn, einem Hyperboloid, einem modifizierten Hyperboloid, wobei ein oberer Abschnitt des modifizierten Hyperboloids eine kleinere Öffnung aufweist als ein unterer Abschnitt des Hyperboloids und der untere Abschnitt des Hyperboloids ferner ein verengendes Element aufweist.
17 zeigt die Streuung von einem Diffusor (Diffusor 276) in einem Sensorsystem. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 und 15 kann zum Schutz eines Sensorsystems, das Lichterfassungselemente, integrierte Filter, Sperrfilter und mikrooptische Elemente umfasst, ein Gehäuse verwendet werden, um das Sensorsystem aufzunehmen. In einem Beispiel, das sich auf 16 bezieht, kann ein Sensorsystemgehäuse eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, durch die Licht von einem Zielbereich (region of interest) in das Innere des Gehäuses hindurchgeht. In einem Beispiel können die Wände des Behältnisses für die relevanten Wellenlängen lichtundurchlässig sein.
In einem Beispiel erreicht ein Teil des einfallenden Lichts 130, das in ein Sensorsystemgehäuse eintritt, den Sensor nicht (dargestellt als Streuverlust 270), da das Licht den falschen Einfallswinkel aufweist oder auf andere Elemente des Systems reflektiert wird. Einige Faktoren, die verhindern, dass Licht die lichtempfindlichen Elemente erreicht, umfassen falsche Einfallswinkel und Reflexionen auf den verschiedenen Elementen des Sensorsystems. In einem Beispiel kann ein Sensorsystem so modifiziert werden, dass Licht, das andernfalls zurückgewiesen oder daran gehindert würde, die lichtempfindlichen Elemente zu erreichen, umgelenkt wird und mindestens ein Lichterfassungselement erreicht. In einem Beispiel kann ein Diffusor, wie der Diffusor aus 17, verwendet werden, um Licht in Richtung der lichtempfindlichen Elemente umzulenken. Wie dargestellt streuen Diffusoren jedoch auch eine beträchtliche Menge an Licht von den lichtempfindlichen Elementen weg.
18A zeigt ein Sensorsystem, bei dem ein modifiziertes Diffusorelement 276 verwendet wird. In einem Beispiel ist der Diffusor 276 teilweise von einer reflektierenden Oberfläche (Spiegel 272) umgeben, wodurch eine integrierende Kugel erzeugt wird, um Licht zurück zum Diffusor 276 umzulenken, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass das Licht die lichtempfindlichen Elemente (wie das Sensorelement 274) erreicht. In einem verwandten Beispiel wird die Eintritts- und/oder Austrittsfläche des Diffusors mit einer rauen Oberfläche (aufgeraute Oberfläche 286) modifiziert, um das Licht weiter in Richtung des Sensorelements 274 umzulenken. In einem Beispiel kann die aufgeraute Oberfläche 286 unter Verwendung verschiedener Verfahren, wie Sandstrahlen oder Schleifen, hergestellt werden.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensorsystem eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, wobei die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist und eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, die auf der Vielzahl von optischen Sensoren angeordnet ist, ausgebildet ist. In dem Beispiel umfasst ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel ist ein Zerstreuungselement, das eine zugehörige obere Fläche, eine zugehörige Vielzahl von Seitenflächen und eine zugehörige untere Fläche aufweist, über der oberen Fläche der Vielzahl von optischen Filtern angeordnet.
In einem Beispiel ist mindestens ein Bereich der Vielzahl von Seitenflächen des Zerstreuungselements dazu ausgelegt, Licht zu reflektieren. In einem Beispiel ist mindestens ein Bereich der oberen Fläche des Zerstreuungselements so ausgelegt, dass er eine raue Oberfläche aufweist, wobei die raue Oberfläche eine Oberfläche ist, die mit einem Aufrauungsprozess behandelt wurde. In einem verwandten Beispiel umfasst der Aufrauungsprozess mindestens eines von Schleifen, abrasivem Strahlen, Ionenfräsen, Atombeschuss oder Ätzen. In einem weiteren Beispiel ist mindestens ein Bereich der oberen Fläche des Zerstreuungselements dazu ausgelegt, Licht zu reflektieren. In noch einem weiteren Beispiel ist mindestens ein Bereich der unteren Fläche des Zerstreuungselements dazu ausgelegt, Licht zu reflektieren. In einem weiteren Beispiel wurde mindestens ein Bereich der unteren Fläche des Zerstreuungselements so ausgelegt, dass er eine raue Oberfläche aufweist, wobei eine raue Oberfläche eine Oberfläche ist, die mit einem Aufrauungsprozess behandelt wurde.
Interferenzbasierte Filter, wie beispielsweise Fabry-Perot-Filter, sind dazu eingerichtet, Licht von Wellenlängen außerhalb eines vorbestimmten Transmissionsspektrums zurückzuweisen. Zusätzlich können interferenzbasierte Filter etwas Licht von Wellenlängen innerhalb des vorbestimmten Transmissionsspektrums nicht transmittieren, da ein Teil des Lichts an der Oberfläche des Filters/der Filter reflektiert wird. In einem Beispiel trägt die hohe Reflektivität der Spiegel, die in Fabry-Perot-Filtern verwendet werden (wie etwa Bragg-Spiegeln), dazu bei, dass es nicht gelingt, etwas Licht von Wellenlängen innerhalb des vorbestimmten Transmissionsspektrums zu transmittieren.
18B zeigt ein modifiziertes Diffusorelement, wie beispielsweise einen Diffusor 276, der mehrere Zerstreuungsschichten aufweist. In dem Beispiel sorgt jede Schicht für eine erhöhte Streuung von einfallendem Licht 130, das durch den Diffusor hindurchgeht.
19A zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines beispielhaften Sensormoduls 10, das ein Sensorsystemgehäuse 216 umfasst, das eine reflektierende Oberfläche 230 an inneren oberen Wänden des Hohlraums aufweist, der durch ein Gehäuse 216 definiert ist. In dem Beispiel kann eine Lichtfalle erzeugt werden. In einem Beispiel kann Licht, das von der oberen Oberfläche der Spektralfilter 222 zurückgewiesen wird, von der reflektierenden Oberfläche 230 reflektiert werden, bis es einen Filter der Spektralfilter 222 mit gewünschten/vorbestimmten Parametern für die Transmission erreicht. In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst das Modul 10 ein Gehäuse 216 mit einer Gehäuseöffnung 212. Lichtempfindliche Elemente (Sensoren) 228 sind in einem Substrat 226 eingebettet. Der Spektralfilter 222 weist mehrere Spektralfilterelemente auf, die lichtempfindliche Elemente 228 überlagern. Reflektierende Oberflächen 230 säumen den oberen Bereich der inneren Seitenwände und eine obere Gehäusefläche des Hohlraums, der durch das Gehäuse 216 gebildet ist.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Öffnung aufweist und wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die innere untere Fläche des Behältnisses einen Hohlraum bilden und mindestens ein Bereich der inneren oberen Wände des Hohlraums und/oder jeder Seitenfläche der Vielzahl von Seitenflächen eine reflektierende Oberfläche aufweist. In dem Beispiel ist ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats mit der unteren Fläche des Behältnisses gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet ist. In einem verwandten Beispiel sind die Seitenflächen dazu ausgelegt, einfallendes Licht zu den lichtempfindlichen Elementen zu lenken.
In einem Beispiel sind eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind, auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem weiteren Beispiel umfasst das Sensormodul ein kollimierendes Element, das als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, die zwischen der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern und dem einen oder den mehreren makrooptischen Elementen angeordnet ist, ausgebildet ist.
19B zeigt zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Mittenwellenlängen λ₁ und λ₂, die durch die Gehäuseöffnung 212 in das durch das Gehäuse 216 aus 19A definierte Sensormodul 10 eintreten. In dem Beispiel ist der Spektralfilter 222C dazu ausgelegt, nur Licht mit Wellenlänge λ1 zu transmittieren, aber der Spektralfilter 222C kann auch einen Teil des Lichts mit Wellenlänge λ1 reflektieren. In einem Beispiel wird zumindest etwas Licht mit Wellenlänge λ1 und das meiste Licht mit Wellenlänge λ2 durch den Spektralfilter 222C zurückgewiesen. In dem Beispiel lenkt eine reflektierende Schicht (reflektierende Fläche 230) auf der inneren Fläche der Oberseite des Gehäuses 216 das zurückgewiesene Licht vom Spektralfilter 222C zu anderen Filtern um, bis es entweder auf einen Spektralfilter 222C Filter, der die Wellenlänge λ1 durchlässt, oder auf einen Spektralfilter 222B-Filter, der Wellenlänge λ2 durchlässt, trifft.
Wie mit Bezug auf die 12A bis 12F erörtert, hängt die Transmission von Licht durch interferenzbasierte Filter stark vom Einfallswinkel von einfallendem Licht ab. In einem Beispiel können winkelselektive Elemente auf den Filtern verwendet werden, um sicherzustellen, dass nur Licht mit dem richtigen Einfallswinkel transmittiert wird. Im Falle der in den 19A und 19B beschriebenen Lichtfalle kann eine Vielzahl von Winkelauswahlelementen auf dem Filterarray angeordnet sein, um den Einfallswinkel von einfallendem Licht weiter zu steuern. Beispielhafte Winkelauswahlelemente finden sich in den 12A bis 12F der US-Patentanmeldung 17/007,254 , die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
19C zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Sensormoduls 10, das ein Sensorsystemgehäuse 216 umfasst, das eine reflektierende Oberfläche 230 an den inneren oberen Wänden des Hohlraums aufweist, der durch ein Gehäuse 216 definiert ist. In dem Beispiel ist jedes Winkelauswahlelement 260 einer Vielzahl von winkelselektiven Elementen mit einer Vielzahl von Spektralfiltern 222A-E verknüpft. In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Öffnung aufweist und wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche des Behältnisses einen Hohlraum bilden und mindestens ein Bereich der inneren oberen Fläche und/oder jeder Seitenfläche der Vielzahl von Seitenflächen eine reflektierende Oberfläche aufweist. In dem Beispiel ist ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats mit der unteren Fläche des Behältnisses gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet ist.
In einem Beispiel sind eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind, auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, wobei jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel umfasst das Sensormodul eine Vielzahl von winkelselektiven Elementen, die am Rand zwischen mindestens einigen der Vielzahl von Interferenzfiltern angeordnet sind, wobei jedes der winkelselektiven Elemente dazu eingerichtet ist, einen Teil des auf eine Vielzahl von Interferenzfiltern einfallenden Lichts zu blockieren. In einem alternativen Beispiel sind eine Vielzahl von winkelselektiven Elementen dazu eingerichtet, einen Teil des auf einen einzelnen Interferenzfilter einfallenden Lichts zu blockieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist mehr als ein winkelselektives Element mit einem einzelnen Filter verknüpft. In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere winkelselektive Elemente mit mehreren Filtern verknüpft.
19D zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Sensormoduls 10, das ein Sensorsystemgehäuse 216 umfasst, das eine reflektierende Oberfläche 130 an den inneren oberen Wänden des Hohlraums aufweist. In einem Beispiel ist mindestens ein Teil einer Vielzahl von reflektierenden Winkelauswahlelementen 262 dazu eingerichtet, einen Teil des auf Spektralfilter 222 A-E einfallenden Lichts zu reflektieren. In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Öffnung aufweist und wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche des Behältnisses einen Hohlraum bilden und mindestens ein Bereich der inneren oberen Fläche und/oder jeder Seitenfläche der Vielzahl von Seitenflächen eine reflektierende Fläche aufweist. In dem Beispiel ist ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats mit der unteren Fläche des Behältnisses gekoppelt ist und eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet ist.
In einem Beispiel sind eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind, auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, wobei jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel umfasst das Sensormodul eine Vielzahl von winkelselektiven Elementen, die am Rand zwischen mindestens einigen der Vielzahl von Interferenzfiltern angeordnet sind, wobei jedes der winkelselektiven Elemente dazu eingerichtet ist, einen Teil des auf eine Vielzahl von Interferenzfiltern einfallenden Lichts zu reflektieren. In einem alternativen Beispiel ist eine Vielzahl von winkelselektiven Elementen dazu eingerichtet, einen Teil des auf einen einzelnen Interferenzfilter einfallenden Lichts zu reflektieren. In einem Implementierungsbeispiel erfolgt die Herstellung von reflektierenden Flächen an den inneren oberen Wänden des Hohlraums und/oder der winkelselektiven Elementen unter Verwendung eines Abscheidungsverfahrens wie Metallverdampfung, Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition), plasmaunterstützte Abscheidung (plasma enhanced deposition) oder einer beliebigen anderen geeigneten Technik.
19E zeigt eine seitliche Querschnittsansicht eines beispielhaften Sensorsystems 270, das mehrere Sensormodule (wie Spektrometermodul 272A und Spektrometermodul 272B) umfasst. Wie mit Bezug auf die 19A bis 19D erörtert sind Spektralmodule nicht in der Lage, das gesamte einfallende Licht zu erfassen, das auf ein bestimmtes Spektralmodul einfällt. In einem Beispiel kann einfallendes Licht durch Spektralmodulelemente absorbiert werden, ohne in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, wobei ein Teil des einfallenden Lichts (reflektiertes Licht 284) an der Oberfläche des Spektralmoduls (wie Spektrometermodul 272A) reflektiert wird. In einem Beispiel werden die Wellenlängen außerhalb des Transmissionsbereichs von interferenzbasierten Filtern, wie etwa Fabry-Perot-Filtern, von den Lichtsensoren weg reflektiert und können in einem Beispiel an einem anderen Spektrometermodul (wie Spektrometermodul 272B) aufgefangen werden, das ausgerichtet ist, um das reflektierte Licht aufzufangen.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Sensorsystem ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Öffnung aufweist und wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche des Behältnisses einen Hohlraum bilden. In dem Beispiel ist ein erstes Sensormodul mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats mit der inneren unteren Fläche des Behältnisses gekoppelt ist. In einem Implementierungsbeispiel ist ein zweites Sensormodul mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums angeordnet, wobei die untere Fläche des zweiten Sensormoduls mit der inneren oberen Fläche des Behältnisses gekoppelt ist, so dass das erste Sensormodul und das zweite Sensormodul relativ zu der Öffnung des Sensorsystems zueinander versetzt sind.
In einem Beispiel umfasst sowohl das erste als auch das zweite Sensormodul jeweils eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, die auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen angeordnet ist, ausgebildet sind, wobei ein Satz von Interferenzfiltern der Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern eine Vielzahl von Interferenzfiltern umfasst, wobei jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem konkreten Implementierungsbeispiel sind das erste Sensormodul und das zweite Sensormodul relativ zu der Öffnung des Sensorsystems zueinander versetzt, so dass mindestens ein Teil des einfallenden Lichts, das durch die Öffnung hindurchgeht, zu der oberen Fläche des zweiten Moduls reflektiert wird. In einem weiteren Beispiel umfasst das Sensorsystem von 19E eine Vielzahl von Sensormodulen, die dazu eingerichtet sind, reflektiertes Licht von anderen Sensormodulen der Vielzahl von Sensormodulen zu reflektieren und/oder zu empfangen.
In einem weiteren Beispiel (nicht dargestellt) können vergrabene Lichtsensoren (Pixel) dazu eingerichtet sein, Licht zu erfassen, das ein Sensorsubstrat durchdringt, ohne durch Lichtsensoren detektiert zu werden, die mit einem oder mehreren interferenzbasierten Filtern verknüpft sind. In einem Beispiel fangen vergrabene Lichtsensoren mehr Licht ein als andernfalls detektiert würde. In einem Beispiel dringen verschiedene Lichtwellenlängen bis in verschiedene Tiefen in einem bestimmten Substrat durch, so dass vergrabene Lichtsensoren in verschiedenen vorbestimmten Tiefen im Substrat platziert werden können, um die Detektion bestimmter gewünschter Wellenlängen zu erhöhen.
Der Dynamikbereich (dynamic range) eines bestimmten Lichtsensors kann so aufgefasst werden, dass er das minimale und das maximale Signal darstellt, das der Lichtsensor detektieren kann. In einem Beispiel ist ein hoher Dynamikbereich (high dynamic range, HDR) wünschenswert, da der gleiche Lichtsensor relativ schwache und relativ starke Signale detektieren kann. In einem konkreten verwandten Beispiel kann der Dynamikbereich eines halbleiterbasierten Lichtsensors, wie etwa einer Fotodiode, erhöht werden, indem eine an die Fotodiode angelegte Vorspannung verändert wird. In einem Beispiel kann das Ändern der Vorspannung die Empfindlichkeit des Lichtsensors derart modulieren, dass eine höhere Empfindlichkeit mit einer größeren Vorspannung erreicht wird, was es ermöglicht, relativ schwächere Signale zu detektieren. Umgekehrt wird eine niedrigere Empfindlichkeit durch Verwendung einer niedrigeren Vorspannung erreicht, mit dem Ergebnis, dass relativ stärkere Signale detektiert werden können, ohne die Fotodiode zu sättigen. In einer konkreten beispielhaften Implementierung kann ein Vorspannungsänderungsverfahren verwendet werden, um einen bestimmten Spektralsensor in die Lage zu versetzen, Spektralkanäle mit Intensitäten im Bereich von sehr schwach bis sehr stark zu detektieren. In einem Beispiel kann die Änderung der Vorspannung eine nichtlineare Antwort bei einem bestimmten Lichtsensor hervorrufen, die während einer Kalibrierung der Lichtsensoren und/oder des Sensorsystems kompensiert werden kann.
In einem weiteren Implementierungs- und Betriebsbeispiel kann der Dynamikbereich erhöht werden, indem eine Integrationszeit für einen bestimmten Lichtsensor verändert wird. In einem Beispiel ermöglichen längere Integrationszeiten eine Detektion von relativ schwächeren Signalen und kürzere Integrationszeiten verhindern eine Sättigung durch starke Signale. In einem konkreten Beispiel kann die Integration für jeden Lichtsensor einer Vielzahl von Lichtsensoren verändert werden oder sie kann für ein Array von Lichtsensoren verändert werden.
In einem weiteren Implementierungs- und Betriebsbeispiel kann der Dynamikbereich erhöht werden, indem Einzelphotonen-Avalanche-Dioden (single-photon avalanche diodes, SPADS) in Kombination mit integrierten interferenzbasierten Filtern, wie Fabry-Perot-Filtern, verwendet werden. In dem Beispiel können SPADS verwendet werden, um Signale zu detektieren wie sie für relativ schwächere Lichtsignale typisch sind. In einem verwandten Beispiel können SPADS in unmittelbarer Nähe zu herkömmlichen Lichtsensoren, wie beispielsweise Fotodioden, angeordnet sein, wobei die SP ADS eingehendes Licht, das von einem Bildmotiv kommt, direkt auffangen können und/oder zurückgewiesenes Licht von zugehörigen interferenzbasierten Filtern auffangen können.
20 zeigt ein Sensorsystem, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle vereint. In dem Beispiel weist das Sensorsystem 240 ein Gehäuse 216 mit einer Gehäuseöffnung 212 auf, welches ein Lichtdetektionssystem aufnimmt, das lichtempfindliche Elemente (Sensoren) 228 aufweist, die in einem Substrat 226 eingebettet sind. Das Gehäuse 216 umfasst einen Spektralfilter 222, der mehrere Spektralfilterelemente aufweist, die lichtempfindliche Elemente 228 überlagern. Das Sensorsystem 240 umfasst ein Lichtquellengehäuse 252 mit einer Lichtquellengehäuseöffnung 250, welches eine oder mehrere Lichtquellen 254 aufnimmt, die auf einem Lichtquellensubstrat 256 ausgebildet sind. In einem Beispiel kann die Lichtquelle 254 dazu ausgelegt sein, einen Zielbereich (region of interest), wie beispielsweise ein Bildmotiv oder ein Zielobjekt (object of interest), mit einem Spektrum von Licht (emittiertes Licht 282) zu beleuchten, so dass die lichtempfindlichen Elemente 228 Änderungen in dem Spektrum von Licht (empfangenes Licht 280), die aus Wechselwirkungen mit dem Zielbereich resultieren, detektieren können.
In einem Beispiel stellt die Lichtquelle 254 im Wesentlichen das gesamte Licht bereit, das den Zielbereich beleuchtet. In einem alternativen Beispiel ist das Licht, das den Zielbereich beleuchtet, eine Kombination der Lichtquelle 254 mit anderen Lichtquellen, wie beispielsweise anderem künstlichem Licht und/oder natürlichem Licht. In einem weiteren Beispiel kann die Lichtquelle 254 ein einzelnes Emissionselement sein, wie beispielsweise eine Leuchtdiode (light emitting diode, LED) oder eine Laserdiode. In einem alternativen Beispiel kann die Lichtquelle 254 mehrere Elemente aufweisen, wie beispielsweise ein Array von LEDs oder mehrere Laserdioden. In noch einem weiteren Beispiel kann die Lichtquelle 254 mehrere Elemente aufweisen, die jeweils dazu eingerichtet sind, Licht in verschiedenen Wellenlängenbändern zu emittieren.
In einem weiteren Beispiel kann die Lichtquelle 254 im Wesentlichen weißes Licht bereitstellen, wobei weißes Licht Licht ist, das im Wesentlichen alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums enthält. In noch einem weiteren Beispiel kann die Lichtquelle 254 darauf beschränkt sein, Licht in diskreten Wellenlängenbändern bereitzustellen, und in einem verwandten Beispiel können die diskreten Wellenlängenbänder unabhängig in Bezug auf Intensität und/oder Beginn gesteuert werden. In einem verwandten Beispiel kann das Emissionsspektrum der Lichtquelle 254 im Hinblick auf Zeit und/oder Intensität kalibriert und/oder gesteuert werden. In einem Implementierungs- und Betriebsbeispiel kann das Lichtdetektionssystem aus 20 verwendet werden, um die Ausgabe der Lichtquelle 254 zu kalibrieren.
In einem konkreten Beispiel ist die Lichtquelle 254 eine Phosphor-LED. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquellengehäuseöffnung 250 mit einem Bandpassfilter bedeckt, so dass gewünschtes LED-Licht durchgelassen wird und unerwünschtes Licht zurückgewiesen wird. In einem Beispiel umfasst das unerwünschte Licht Wellenlängen in den Anregungsbändern einer Phosphor-LED, wie beispielsweise Wellenlängen im Bereich von 450 nm. In einem Beispiel ist ein Bandpassfilter, der die Lichtquellengehäuseöffnung 250 bedeckt, ein Reflexionsfilter, der dazu eingerichtet ist, Licht zurück in ein Sensorgehäuse oder -behältnis zu reflektieren. In einem verwandten Beispiel wird reflektierte Lichtenergie zu der direkten Ausgabe einer Phosphorbasierten LED hinzugefügt, so dass die Phosphor-basierte LED eine höhere Effizienz erreicht und zusätzliche Photonen in einem Zielbetriebsbereich bereitstellt. In noch einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle 254 mit einem Element bedeckt, das dazu eingerichtet ist, einen Lichteinschluss bereitzustellen, wie beispielsweise eine Linse.
In einem konkreten verwandten Beispiel kann Wellenlängenmultiplexing (wavelength division multiplexing, WDM) verwendet werden, um das Emissionsspektrum der Lichtquelle 254 zu steuern, wobei WDM in zeitlicher Hinsicht, in räumlicher Hinsicht oder in einer Kombination von beiden durchgeführt werden kann. In einem Beispiel kann ein Lichtdetektionssystem, wie beispielsweise das Lichtdetektionssystem aus 20, verwendet werden, um ein spektrales Bild eines Bildmotivs oder Objekts zu erhalten, indem gesteuert wird, wann eine bestimmte Wellenlänge oder ein bestimmtes Wellenlängenband einen bestimmten Teil des Bildmotivs oder Objekts beleuchtet. In einem Beispiel kann das Lichtdetektionssystem ein Spektralsystem sein, oder in einem weiteren Beispiel kann das Lichtdetektionssystem ein Nicht-Spektralsystem sein, wobei ein Spektralsystem ein System ist, das spektrale Informationen aus einem Zielbereich extrahiert.
In einem Beispiel kann die Lichtquelle 254 mit dem Lichtdetektionssystem als Teil eines Rückkopplungsmechanismus (Feedback-Mechanismus) zum Kalibrieren und/oder Steuern der Lichtdetektion gepaart werden. In einem weiteren Beispiel kann das Lichtdetektionssystem mit der Lichtquelle 254 als Teil eines Rückkopplungsmechanismus zum Kalibrieren und/oder Steuern der Lichtquelle 254 gepaart werden. In einem konkreten Beispiel kann ein Rückkopplungsmechanismus verwendet werden, um eine einzige Kalibrierungssequenz beim Hochfahren eines Sensorsystems, wie beispielsweise des Sensorsystems 240, bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel kann ein Rückkopplungsmechanismus verwendet werden, um eine Kalibrierung eines Sensorsystems auf Basis eines Arbeitszyklus (duty cycle) bereitzustellen. In einem konkreten Beispiel kann der Rückkopplungsmechanismus einen elektronischen oder mechanischen Verschluss (Shutter) für die Lichtquelle 254 verwenden.
In einem konkreten Betriebsbeispiel beginnt ein Verfahren zum Steuern einer Lichtquelle mit dem Einschalten einer Lichtquelle, um eine Vielzahl von Lichtwellenlängen auszugeben, und fährt mit Wellenlängenmultiplexing (wavelength division multiplexing, WDM) der Vielzahl von Lichtwellenlängen fort, um wellenlängengemultiplextes Licht zu erzeugen. In einem Beispiel wird das WDM in zeitlicher Hinsicht ausgeführt, und in einem weiteren Beispiel wird das WDM in räumlicher Hinsicht durchgeführt. In noch einem weiteren Beispiel wird das WDM sowohl in räumlicher Hinsicht als auch in zeitlicher Hinsicht durchgeführt. Das Verfahren fährt dann fort mit dem Beleuchten eines oder mehrerer Objekte unter Verwendung des wellenlängengemultiplexten Lichts und dem Detektieren des von dem einen oder den mehreren Objekten stammenden Lichts und dem Verwenden des detektierten Lichts von dem einen oder den mehreren Objekten, um ein Spektralbild des einen oder der mehreren Objekte zu erzeugen. In einem Beispiel wird ein Bereich des einen oder der mehreren Objekte mit einer bestimmten Wellenlänge der Vielzahl von Lichtwellenlängen für eine vorbestimmte Zeitdauer beleuchtet. Schließlich fährt das Verfahren mit dem Modifizieren der Lichtquelle in Reaktion auf das von dem einen oder den mehreren Objekten detektierte Licht fort.
21 zeigt die Verwendung eines Mikrogitterarrays 302 zum Erzeugen einer Matrix von Spektralmustern (Mikroregenbogenmuster 304) zur Projektion auf ein Bildmotiv. In dem Beispiel ist eine Beleuchtungsvorrichtung (Lichtemitter 300) dazu eingerichtet, weißes Licht zu emittieren, und ein Mikrogitterarray 302 ist dazu eingerichtet, ein Mikroregenbogenmuster 304 zu erzeugen, das unter Verwendung eines optischen Elements 306 auf ein Bildmotiv oder Objekt projiziert werden kann. In einem Beispiel demultiplext das Mikrogitterarray 302 weißes Licht von dem Lichtemitter 300, um das Mikroregenbogenmuster 304 zu erzeugen. In einem alternativen Beispiel wird Wellenlängenmultiplexing (wavelength division multiplexing, WDM) verwendet, um das Licht mit räumlich in einem gewünschten Muster verteilten Wellenlängen zu erzeugen.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel beginnt ein Verfahren mit dem Einschalten einer Lichtquelle, um eine Vielzahl von Lichtwellenlängen auszugeben, und fährt fort mit Wellenlängenmultiplexing (wavelength division multiplexing, WDM) der Vielzahl von Lichtwellenlängen, um ein Mikroregenbogenmuster zu erzeugen. In einem alternativen Beispiel wird ein Mikrogitterarray anstelle von WDM verwendet, um ein Mikroregenbogenmuster zu erzeugen. Das Verfahren fährt dann fort mit dem Beleuchten eines oder mehrerer Objekte unter Verwendung des wellenlängengemultiplexten Lichts und dem Detektieren des von dem einen oder den mehreren Objekten stammenden Lichts und dem Verwenden des detektierten Lichts von dem einen oder den mehreren Objekten, um ein Spektralbild des einen oder der mehreren Objekte zu erzeugen. In einem Beispiel wird ein Bereich des einen oder der mehreren Objekte mit einer Vielzahl von Wellenlängen beleuchtet, die zusammen ein vorbestimmtes Muster von Wellenlängen zu erzeugen.
22 zeigt die Verwendung eines diffraktiven Elements zum Erzeugen einer Matrix von Spektralmustern zur Projektion auf ein Bildmotiv. In dem Beispiel umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung ein Array von Lichtquellen (Mehrwellenlängen-Lichtemitter 310), die zusammen dazu eingerichtet sind, bei verschiedenen Wellenlängen zu emittieren, um ein Spektralmuster (projiziertes Muster 314) auszugeben. In einem Beispiel wird ein diffraktives Element (vervielfachendes Beugungselement 312) verwendet, um das Spektralmuster vom Mehrwellenlängen-Lichtemitter 310 zu vervielfachen, um das projizierte Muster 314 zu projizieren. In einem konkreten Implementierungsbeispiel beginnt ein Verfahren mit dem Einschalten eines Arrays von Lichtquellen, um eine Vielzahl von Lichtwellenlängen auszugeben, und fährt fort mit der Verwendung eines diffraktiven Elements, um das Spektralmuster zu vervielfachen, um eine Matrix von Spektralmustern zu projizieren.
In einem weiteren Beispiel wird ein mechanisches Element verwendet, um das gesamte oder einen Teil eines Bildmotivs oder Objekts mit einem oder mehreren Spektralmustern abzutasten. In dem Beispiel ermöglicht das mechanische Abtasten die Beleuchtung aller Raumpunkte eines Bildmotivs oder Objekts (oder eines Teils davon) mit verschiedenen Wellenlängen einer Beleuchtungsvorrichtung.
23 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Lichtquellenmoduls 264. Das Lichtquellenmodul 264 umfasst ein Lichtquellengehäuse 252 mit einer Lichtquellengehäuseöffnung 250, welches lichtemittierende Elemente 260 aufnimmt, die auf einem Lichtquellensubstrat 256 ausgebildet sind. In einem Beispiel wird ein Array von Lichtfiltern (Spektralfilter 262) verwendet, um die Ausgabe von lichtemittierenden Elementen 260 in ein Spektralmuster zu demultiplexen. In einem Beispiel können die lichtemittierenden Elemente 260 eines oder mehrere einer Vielzahl von lichtemittierenden Elementen sein, wie etwa Leuchtdioden (light emitting diodes, LEDs), Mikro-LEDs, Nano-LEDs und Mikro-Laser-Arrays. In einem Beispiel kann jeder Filter im Array von Filtern mit einem oder mehreren lichtemittierenden Elementen der Vielzahl von lichtemittierenden Elementen verknüpft sein. In einem anderen Beispiel sind die lichtemittierenden Elemente 260 ferner dazu eingerichtet, gleichförmiges Licht bereitzustellen, um ein Bildmotiv oder Objekt zu beleuchten. In einem anderen Beispiel sind die lichtemittierenden Elemente 260 ferner in einem Mosaikmuster ausgebildet. In noch einem weiteren Beispiel umfassen die lichtemittierenden Elemente 260 eines oder mehrere von roten, grünen blauen (RGB) LEDs oder RGB-Lasern, die in einem Mosaikmuster angeordnet sind.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel umfasst ein Lichtquellenmodul eine Lichtquelle mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche. In einem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, die auf der Lichtquelle angeordnet ist, ausgebildet, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei jeder optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet ist, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel umfasst die Lichtquelle eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen. In einem weiteren Beispiel ist jeder Filter des Satzes von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern mit einem oder mehreren lichtemittierenden Elementen der Lichtquelle verknüpft. In noch einem weiteren verwandten Beispiel ist die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern auf der oberen Fläche der Lichtquelle integriert.
In einem Beispiel umfasst die Lichtquelle eine Vielzahl von Sätzen von lichtemittierenden Elementen, wobei jeder Satz von lichtemittierenden Elementen eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst. In einem weiteren Beispiel sind die lichtemittierenden Elemente aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Leuchtdioden (light emitting diodes, LEDs), Mikro-LEDs, plasmonischen Nano-Lasern und Nano-LEDs besteht, wobei verschiedene Sätze von lichtemittierenden Elementen Licht in verschiedenen spektralen Bandbreiten erzeugen. In einem weiteren Beispiel umfassen die lichtemittierenden Elemente eine Vielzahl von Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat. In einem konkreten Beispiel kann die Vielzahl von Sätzen von lichtemittierenden Elementen zeit-gemultiplext sein, so dass bestimmte Sätze der Vielzahl von Sätzen von lichtemittierenden Elementen während eines Teils einer Zeitspanne aktiv sind. In einem Beispiel kann durch das Aktivieren verschiedener Sätze von lichtemittierenden Elementen in einer Sequenz während einer Zeitspanne ein Zielbereich, wie z. B. ein Bildmotiv oder Objekt, mit verschiedenen Wellenlängen während der Zeitspanne beleuchtet werden, wodurch effektiv eine spektrale Durchlaufabtastung (sweep scan) des Zielbereichs erzeugt wird.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Lichtquellenmodul eine Lichtquelle, die eine Vielzahl von Sätzen von lichtemittierenden Elementen umfasst, wobei jeder Satz von lichtemittierenden Elementen eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst, wobei die Lichtquelle eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist. In einem Beispiel ist jedes lichtemittierende Element der Vielzahl von lichtemittierenden Elementen dazu eingerichtet, Licht gemäß einer Zeitsequenz zu emittieren. In einem anderen Beispiel sind die lichtemittierenden Elemente der Vielzahl von lichtemittierenden Elementen zusammen dazu eingerichtet, eine Zeitsequenz von Spektren bereitzustellen, die mindestens einen Teil eines Zielbereichs beleuchten.
24 zeigt eine Lichtquelle mit einem Spektrometer mit einem lichtemittierenden Element. In dem Beispiel ist ein Spektrometer (Mini-Spektrometer 294) mit einer Leuchtdioden-Komponente 292 (LED-Komponente) integriert und dazu eingerichtet, die Ausgabe einer LED in einem LED-Die 294 zu überwachen und ein Signal, zum Beispiel auf einem IO 290, auszugeben. In einem Beispiel ist das Spektrometer dazu eingerichtet, Informationen, die die LED-Leistung angeben, über die Anoden- oder Kathodenverbindung an die LED unter Verwendung eines 1-Draht-Protokolls zu übertragen. In einem Beispiel können die Informationen eines oder mehrere von einer aktuellen Mittenwellenlänge (central wavelength, CWL), aktuellen spektralen Komponenten und einem Profil für die LED angeben. In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Lichtquellenmodul ein Spektrometerelement, das dazu eingerichtet ist, spektrale Komponenten der Lichtquelle zu trennen und zu messen. In einem Beispiel kann das Spektrometerelement in das Lichtquellensubstrat integriert sein, wie zum Beispiel in das Lichtquellensubstrat 256 aus 23. In einem weiteren Beispiel kann ein Lichtquellenmodul eine Vielzahl von Spektrometerelementen umfassen, wobei jedes Spektrometerelement der Vielzahl von Spektrometerelementen mit einem lichtemittierenden Element der Lichtquelle verknüpft ist.
In einem Beispiel können die spektralen Komponenten verwendet werden, um Änderungen der Intensität und/oder des Spektrums der Lichtquelle im Laufe der Zeit zu detektieren. In einem Beispiel können die Änderungen der Intensität und/oder des Spektrums der Lichtquelle im Laufe der Zeit auf Temperaturschwankungen in der Lichtquelle selbst oder in dem Modul hinweisen, zusammen mit einem Hinweis auf Alterung der Lichtquelle. In einem konkreten Beispiel können die detektierten Änderungen direkt übertragen werden, oder in einem weiteren Beispiel kann die Lichtquelle selbst die detektierten Änderungen anzeigen, indem sie Licht in vorbestimmten Mustern von Pulsen und/oder Blitzen emittiert. In einem alternativen Beispiel können die detektierten Änderungen unter Verwendung eines Kalibrierungsrückkopplungsmechanismus an ein Sensormodul übertragen werden. In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel ist ein Spektrometer mit einer oder mehreren Leuchtdioden-Komponenten (LED-Komponenten) einer Flüssigkristallanzeige (liquid crystal display, LCD) integriert. In dem Beispiel kann das Spektrometer verwendet werden, um die Leistung der LEDs zu überwachen, die eine Hintergrundbeleuchtung für das LCD bereitstellen, so dass spektrale Änderungen und/oder Intensitätsänderungen korrigiert werden können, oder einfach, um einen Benutzer darüber zu informieren, dass die LCD-Leistung sich verschlechtert hat.
Unter erneuter Bezugnahme auf 23 können in einer beispielhaften Implementierung die lichtemittierenden Elemente 260 Leuchtdioden (light emitting diodes, LEDS) und/oder Laser, die im Infrarot (IR), Nahinfrarot (NIR), sichtbaren und ultravioletten (UV) Wellenlängen emittieren, umfassen. In einem alternativen Beispiel können die lichtemittierenden Elemente 260 eine oder mehrere Breitband-LEDs umfassen, wobei die Breitband-LEDs basierend auf den Materialien, der Struktur oder der Implementierung der Breitband-LED dazu ausgelegt sind, eine erhöhte Effizienz aufzuweisen. Unter erneuter Bezugnahme auf 23 umfasst das Lichtquellenmodul 264 ein Lichtquellengehäuse 252 mit einer Lichtquellengehäuseöffnung 250, welches lichtemittierende Elemente 260 aufnimmt, die auf einem Lichtquellensubstrat 256 ausgebildet sind. In einem konkreten Beispiel kann das Lichtquellenmodul 264 ein oder mehrere polarisierende Elemente im Pfad des von den lichtemittierenden Elementen 260 emittierten Lichts umfassen. In einem Beispiel können die polarisierenden Elemente ein oder mehrere Polarisatoren, Viertelwellenplatten, Halbwellenplatten oder Kombinationen davon sein. In einem Beispiel können die polarisierenden Elemente innerhalb des Hohlraums angeordnet sein, der durch das Lichtquellengehäuse 252 gebildet ist. In einem weiteren Beispiel können die polarisierenden Elemente zumindest teilweise innerhalb der Lichtquellengehäuseöffnung 250 angeordnet sein. In noch einem weiteren Beispiel können die polarisierenden Elemente im Lichtpfad des lichtemittierenden Elements außerhalb des Lichtquellengehäuses 252 angeordnet sein.
25A zeigt ein weiteres Sensorsystem, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle vereint. In dem Beispiel weist das Sensorsystem 240 ein Gehäuse 216 mit einer Gehäuseöffnung 212 auf, welches ein Lichtdetektionssystem aufnimmt, das lichtempfindliche Elemente (Sensoren) 228 aufweist, die in einem Substrat 226 eingebettet sind. Das Gehäuse 216 umfasst einen Spektralfilter 222, der mehrere Spektralfilterelemente aufweist, die lichtempfindliche Elemente 228 überlagern. Das Sensorsystem 240 umfasst ein Lichtquellengehäuse 252 mit einer Lichtquellengehäuseöffnung 250, welches eine oder mehrere Lichtquellen 254 aufnimmt, die auf einem Lichtquellensubstrat 256 ausgebildet sind. In einem Beispiel kann die Lichtquelle 254 dazu ausgelegt sein, einen Zielbereich (region of interest), wie etwa ein Bildmotiv oder ein Zielobjekt (object of interest), mit einem Spektrum von Licht (emittiertes Licht 282) zu beleuchten, so dass lichtempfindliche Elemente 228 Änderungen im Spektrum von Licht (empfangenes Licht 280), die aus Wechselwirkungen mit dem Zielbereich resultieren, detektieren können.
In einem Beispiel stellt die Lichtquelle 254 modulierte Belichtung bereit, die durch eine Steuerschaltung 340 gesteuert wird. In einem Beispiel wird Licht an lichtempfindlichen Elementen 228 aufgefangen und entweder direkt oder als ein Signal, das ein Spektralverhalten charakterisiert, an ein Rechenmodul 330 einer Rechenvorrichtung 240 ausgegeben. In einem Beispiel kann die Lichtquelle 254 moduliert werden, um die Leistung des Sensorsystems 240 zu verbessern. Zum Beispiel können Intensität, Spektrum, Phase und Polarisation der Emission von der Lichtquelle 254 moduliert werden.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel kann die Lichtquelle 254 moduliert werden, um eine Sättigung des Sensorsystems 240 zu verhindern, während ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio, SNR) beibehalten wird. Ein Rückkopplungsmechanismus (Feedback-Mechanismus) zwischen der Lichtquelle 254 und dem Lichtdetektionssystem kann verwendet werden, um den Strom zu der Lichtquelle 254 zu erhöhen, bis ein Schwellenwert erreicht ist. Zum Beispiel kann der Strom zu der Lichtquelle 254 erhöht werden, bis er nahe an der Sättigung der lichtempfindlichen Elemente 228 ist. In einem Beispiel verringert der Rückkopplungsmechanismus, wenn der Schwellenwert überschritten wird, den Strom zu der Lichtquelle 254. In einem Beispiel, das dieses Beispiel verwendet, kann ein maximales SNR erreicht und während des Betriebs beibehalten werden. In einem weiteren Beispiel kann der Rückkopplungsmechanismus verwendet werden, um den Strom zu der Lichtquelle 254 zu erhöhen, bis das Sensorsystem 240 bestimmt, dass das SNR einen minimalen Schwellenwert erreicht, was ausreicht, es dem Sensorsystem 240 zu ermöglichen, den Strom zu der Lichtquelle 254 zu reduzieren, um Energie zu sparen.
In einem weiteren konkreten Implementierungsbeispiel kann die Lichtquelle 254 moduliert werden, um zwischen einem Signal, das durch die Lichtquelle 254 erzeugt wird, und Umgebungslicht zu unterscheiden. In einem Beispiel kann die Modulation verwendet werden, um die Auswirkung von Umgebungslicht zu reduzieren. In einem konkreten Beispiel überträgt ein Rückkopplungsmechanismus die Parameter der Lichtquelle 254 während der Modulation der Lichtquelle 254 an das Sensorsystem 240 und in einem Beispiel wird im Wesentlichen jeder Beitrag im detektierten Signal, der nicht der Modulation folgt, als auf Umgebungslicht zurückzuführen bestimmt und kann somit bei der späteren Verarbeitung (postprocessing) entfernt werden. In einem konkreten verwandten Beispiel kann durch Entfernen des Beitrags des Umgebungslichts die Messgenauigkeit bei Entfernungsspektrometrie verbessert werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 20 wird in einem Beispiel eine Lichtquelle, wie etwa die Lichtquelle 254, relativ gut bekannte und kontrollierte Emissionsparameter haben. In einem Beispiel können die Emissionsparameter eines oder mehrere von Spektrum, Intensität, Phase und Polarisation sein. In einem Beispiel können die bekannten und kontrollierten Emissionsparameter in Kombination mit einem Spektralsystem, wie etwa dem Sensorsystem 240, verwendet werden, um spektrale Informationen von einem Zielbereich, wie etwa einem Bildmotiv oder Objekt oder einem Teil davon, zu erhalten.
In einem weiteren Beispiel kann eine Lichtquelle, wie etwa die Lichtquelle 254, mit bekannten und kontrollierten Emissionsparametern verwendet werden, um einen Spektralsensor, wie etwa das Sensorsystem 240, zu kalibrieren. In noch einem weiteren konkreten Beispiel kann die Kombination einer Lichtquelle, wie etwa der Lichtquelle 254, und eines Spektralsensors, wie etwa des Spektralsensors des Sensorsystems 240, verwendet werden, um eine Messung zu authentifizieren. In einem Beispiel würde erwartet werden, dass die Emissionsparameter einer bekannten Lichtquelle mit Parametern übereinstimmen, die durch das Spektralsystem detektiert werden. In einem Beispiel könnten die „bekannten“ Parameter verwendet werden, um zum Beispiel zu bestätigen, dass die Lichtquelle den gleichen Zielbereich beleuchtet, den der Spektralsensor detektiert.
Unter erneuter Bezugnahme auf 20 kann eine Lichtquelle mit dem Lichtdetektionssystem als Teil eines Rückkopplungsmechanismus zum Kalibrieren und/oder Steuern der Lichtdetektion und als Teil eines Rückkopplungsmechanismus zum Kalibrieren und/oder Steuern einer oder mehrerer Lichtquellen gepaart werden. In einem Beispiel kann die Kalibrierung ein wesentliches Element zum Bereitstellen zuverlässiger Spektralmessungen durch ein Spektralmodul und/oder Spektralmesssystem sein. In einem Beispiel kann die Kalibrierung während der Herstellung durchgeführt werden, indem die Antwort eines Spektralmoduls auf eine oder mehrere bekannte Beleuchtungsquellen verglichen wird und etwaige gemessene Unterschiede kompensiert werden. In einem anderen Beispiel können Faktoren wie unter anderem Alterung eines Lichtsensors oder einer Lichtquelle und Temperaturdrifts die Leistung eines Spektralmoduls beeinflussen. Zum Beispiel können sich die Beleuchtungseigenschaften sowie die Spektralantwort eines Sensors aufgrund von Nachfertigungsprozessen, Temperaturänderungen und anderen Schwankungen, die bei der Verwendung des Sensors auftreten, ändern. In einem Beispiel kann ein Kalibrierungsschritt einen Prozess mit geschlossenem Regelkreis (closed-loop process) umfassen, um Sensorsystemeigenschaften zu messen und eine unerwünschte Systemleistung zu korrigieren. In einem konkreten Beispiel kann eine Reflexionsmethodik verwendet werden, so dass Licht von einem bekannten Ziel reflektiert und als Referenz gemessen wird.
25B und 25C zeigen eine Seitenansicht eines Sensorsystems, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle zur Kalibrierung mit einem bi-modalen Verschluss (Shutter) vereint. In einem Beispiel sind eine oder mehrere dedizierte Beleuchtungsquellen (Lichtquelle 254) und ein oder mehrere Lichterfassungsarrays (lichtempfindliche Elemente 228) in einem Sensorsystemgehäuse vorgesehen. In dem Beispiel ist ein steuerbarer durchlässiger/reflektierender Mechanismus (Verschluss/Shutter) -- 316A und 316B in 25B und 25C, wie etwa ein Flüssigkristallverschluss (liquid crystal shutter) oder ein mechanischer Verschluss, enthalten, wobei der Verschluss dazu ausgelegt ist, sich entweder zu öffnen, wie in 316B, wodurch Licht in das Gehäuse eintreten kann, oder sich zu schließen, wie in 316B, wodurch Licht wirkungsvoll daran gehindert wird, in das Gehäuse einzutreten. In einem in 25B dargestellten Beispiel ist die Lichtquelle 254 dazu ausgelegt, zu leuchten, wenn der Verschluss geschlossen ist (316A), so dass Licht von der Lichtquelle 254 durch den Verschluss reflektiert werden kann, um das eine oder die mehreren Lichterfassungsarrays zu beleuchten. In einem verwandten Beispiel ist der Verschluss dazu eingerichtet, eine reflektierende Oberfläche zum Reflektieren von Licht zurück zum Lichterfassungsarray bereitzustellen. In dem Beispiel von 25C ist der Verschluss offen (316B), wodurch einfallendes Licht durch das eine oder die mehreren lichtempfindlichen Elemente 228 detektiert werden kann. In einem verwandten Beispiel kann die Lichtquelle 254 ferner dazu ausgelegt sein, ein Bildmotiv zu beleuchten, wenn der Verschluss offen ist.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel ist der Verschluss ein Flüssigkristallverschluss (liquid crystal shutter), der dazu ausgelegt ist, Licht zu blockieren, wenn eine Spannung angelegt wird. In einem Beispiel umfasst der Flüssigkristallverschluss eine Flüssigkristallanzeige (liquid crystal display), die einen einzigen großen Pixel umfasst, der die Gehäuseöffnung abdeckt, wobei der Verschluss in einem lichtdurchlässigen Zustand „offen“ oder in einem lichtundurchlässigen Zustand „geschlossen“ ist. In einem Beispiel kann die Anzeige zwischen ihrem offenen und geschlossenen Zustand umgeschaltet werden, indem beispielsweise eine Rechteckantriebsspannung angelegt wird. In einem alternativen Beispiel umfasst der Verschluss einen mechanischen Mechanismus mit beispielsweise beweglichen Klingen oder Platten, die dazu ausgelegt sind, die Zeitdauer zu steuern, während derer einfallendes Licht durch die Gehäuseöffnung hindurchgeht.
Bezugnehmend auf 25B wird in einem Beispiel, wenn sich der Verschluss im reflektierenden Modus befindet, Licht von der Beleuchtungsquelle zum Lichterfassungsarray reflektiert, um eine Referenz für die Kalibrierung bereitzustellen. Bezugnehmend auf 25C kann in einem Beispiel, wenn sich der Verschluss im Transmissionsmodus befindet, die Beleuchtungsquelle ein Bildmotiv beleuchten und gleichzeitig ermöglichen, dass eingehendes Licht vom Bildmotiv das Lichterfassungsarray erreicht. In einem Beispiel wird das einfallende Licht erfasst und kann dann mit der Referenz verglichen werden, um ein korrigiertes und/oder kalibriertes Spektrum des Bildmotivs zu erhalten.
In einem konkreten Implementierungsbeispiel können eine Beleuchtungsquelle und ein Sensormodul in einem Sensorsystemgehäuse enthalten sein, wobei das Sensorsystemgehäuse den steuerbaren durchlässigen/reflektierenden Mechanismus (Verschluss/Shutter) umfasst. In einem alternativen Beispiel umfasst ein Sensormodul eine oder mehrere Beleuchtungsquellen und ein oder mehrere Lichterfassungselemente zusammen mit einem oder mehreren Verschlüssen. In noch einem weiteren konkreten Beispiel ist eine Sperrfläche oder -schranke zwischen der Beleuchtungsquelle und Lichterfassungselementen im Sensormodul angeordnet. In einem alternativen Beispiel sind die Beleuchtungsquelle und Lichterfassungselemente ohne eine Sperrfläche oder -schranke angeordnet. In einigen Ausführungsformen kann das System aus 25B und 25C zur Verwendung in mobilen Geräten ausgelegt sein. Beispiele für mobile Geräte umfassen intelligente Mobiltelefone (Smartphones), intelligente Armbanduhren (Smartwatches), Kalibrierungsgeräte, medizinische Geräte, Fitnessgeräte und Crowd-Sourcing-Überwachungsgeräte, sind aber nicht darauf beschränkt.
25D zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren eines Spektralsensors. Das Verfahren beginnt bei Schritt 500 damit, dass ein steuerbarer durchlässiger/reflektierender Mechanismus (Verschluss/Shutter) auf einen reflektierenden (geschlossenen) Modus eingestellt wird, und fährt bei Schritt 502 fort damit, dass ein oder mehrere Lichterfassungselemente Licht abtasten, das vom Verschluss reflektiert wurde, um eine Kalibrierungsreferenz zu erzeugen. In einem Beispiel weist der Verschluss eine zugehörige obere und eine zugehörige untere Fläche auf, wobei die obere Fläche dazu ausgelegt ist, einem Bildmotiv oder Objekt zugewandt zu sein, und die untere Fläche dazu ausgelegt ist, einer oder mehreren Beleuchtungsquellen und einem oder mehreren Lichterfassungselementen zugewandt zu sein. In einem konkreten Beispiel ist die untere Fläche des Verschlusses dazu ausgelegt, von der Beleuchtungsquelle emittiertes Licht zumindest teilweise zu reflektieren. In einem weiteren Beispiel sind die eine oder mehreren Beleuchtungsquellen und die Lichterfassungselemente in einem Behältnis angeordnet, wobei der Verschluss dazu ausgelegt ist, Licht, das in den Behälter eintritt, im Wesentlichen zu steuern. Bei Schritt 504 wird der Verschluss auf einen durchlässigen (offenen) Modus eingestellt, und bei Schritt 506 wird die Beleuchtungsquelle verwendet, um ein Bildmotiv oder Objekt zu beleuchten. In einem alternativen Schritt wird das Bildmotiv oder Objekt mit einer natürlichen und/oder externen Beleuchtungsquelle beleuchtet, und in noch einem weiteren Beispiel wird das Bildmotiv oder Objekt zusätzlich zur Beleuchtungsquelle mit einer natürlichen und/oder externen Beleuchtungsquelle beleuchtet. Das Verfahren fährt dann bei Schritt 508 damit fort, dass die Lichterfassungselemente einfallendes Licht vom Bildmotiv oder Objekt abtasten, um eine gemessene Ausgabe zu erzeugen, und fährt dann bei Schritt 510 damit fort, dass die gemessene Ausgabe mit der Kalibrierungsreferenz verglichen wird, um ein Spektralbild des Bildmotivs oder Objekts zu erzeugen.
25E zeigt ein Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Kalibrieren eines Spektralsensors. Das Verfahren beginnt bei Schritt 520 damit, dass ein steuerbarer durchlässiger/reflektierender Mechanismus (Verschluss/Shutter) auf einen reflektierenden (geschlossenen) Modus eingestellt wird, und fährt bei Schritt 522 damit fort, dass ein oder mehrere Lichterfassungselemente Licht abtasten, das vom Verschluss reflektiert wurde, um eine Kalibrierungsreferenz zu erzeugen. In einem Beispiel weist der Verschluss eine zugehörige obere und eine zugehörige untere Fläche auf, wobei die obere Fläche dazu ausgelegt ist, einem Bildmotiv oder Objekt zugewandt zu sein, und die untere Fläche dazu ausgelegt ist, einer oder mehreren Beleuchtungsquellen und einem oder mehreren Lichterfassungselementen zugewandt zu sein. In einem konkreten Beispiel ist die untere Fläche des Verschlusses dazu ausgelegt, von der Beleuchtungsquelle emittiertes Licht zumindest teilweise zu reflektieren. In einem weiteren Beispiel sind die eine oder mehreren Beleuchtungsquellen und die Lichterfassungselemente in einem Behältnis angeordnet, wobei der Verschluss dazu ausgelegt ist, in den Behälter eintretendes Licht im Wesentlichen zu steuern. Bei Schritt 524 wird der Verschluss auf einen durchlässigen (offenen) Modus eingestellt, und bei Schritt 528 wird die Beleuchtungsquelle verwendet, um ein Bildmotiv oder Objekt zu beleuchten. In einem alternativen Schritt wird das Bildmotiv oder Objekt mit einer natürlichen und/oder externen Beleuchtungsquelle beleuchtet, und in noch einem weiteren Beispiel wird das Bildmotiv oder Objekt zusätzlich zur Beleuchtungsquelle mit einer natürlichen und/oder externen Beleuchtungsquelle beleuchtet. Das Verfahren fährt dann bei Schritt 530 damit fort, dass die Lichterfassungselemente einfallendes Licht vom Bildmotiv oder Objekt abtasten, um eine gemessene Ausgabe zu erzeugen. Das Verfahren fährt bei Schritt 532 damit fort, zu bestimmen, ob eine gewünschte oder minimale Anzahl von Messungen (samples) empfangen wurde, und wenn eine gewünschte oder minimale Anzahl von Messungen nicht empfangen wurde, kehrt das Verfahren zu Schritt 520 zurück, um die Schritte 520 bis 530 zu wiederholen. Wenn eine gewünschte oder minimale Anzahl von Messungen empfangen wurde, fährt das Verfahren bei Schritt 534 damit fort, dass die gemessene Ausgabe mit der Kalibrierungsreferenz verglichen wird, um ein Spektralbild des Bildmotivs oder Objekts zu erzeugen. In einem alternativen Beispiel kann Schritt 534 direkt von Schritt 530 fortfahren, bevor bei Schritt 532 bestimmt wird, ob eine minimale oder gewünschte Anzahl von Messungen empfangen wurde; im alternativen Beispiel wird in einem zusätzlichen Schritt (nicht dargestellt) ein endgültiges Spektralbild des Bildmotivs oder Objekts erzeugt.
In einem Beispiel kann ein sukzessiver Vergleich der gemessenen Ausgabe mit einer oder mehreren Kalibrierungsreferenzen in einem „Abstimmungs“-Prozess („tuning“-Prozess) verglichen werden, um ein Spektralbild des Bildmotivs oder Objekts zu erzeugen. Durch sukzessives Erhalten von Kalibrierungsreferenzen und Messungen mit unterschiedlichen Beleuchtungsquellenspektren können zusätzliche Informationen, wie beispielsweise das Vorhandensein anderer Lichtquellen, für ein Bildmotiv oder Objekt erhalten werden.
25F und 25G zeigen eine Seitenansicht eines weiteren Sensorsystems, das ein Lichtdetektionssystem und eine Lichtquelle zur Kalibrierung mit einem bi-modalen Verschluss (Shutter) vereint. In dem Beispiel wird das Spektralmodul, wie etwa das Spektralmodul, das mit Bezug auf die 25B beschrieben wurde, als ein Kalibrierungsmodul verwendet, das Teil eines Sensorsystems 320 ist, das ein oder mehrere zusätzliche Lichterfassungselemente (wie etwa lichtempfindliche Elemente 228) umfasst. In einem Beispiel werden die lichtempfindlichen Elemente 228 und integrierten Spektralfilter 222 für das Kalibrierungsmodul mit den zusätzlichen lichtempfindlichen Elementen in demselben Prozess hergestellt. In einem Beispiel kann das Herstellen der Kalibrierungs- und Messelemente in demselben Prozess die Variabilität im Herstellungsprozess reduzieren. In einem Beispiel kann das Verwenden eines Teils der Sensoren für eine Kalibrierungsfunktion es ermöglichen, dass der durchlässige/reflektierende Mechanismus (Verschluss/Shutter) (316A und 316B) weniger kompliziert und/oder teuer ist, was die Kosten des Verschlusses reduzieren kann. In dem in 25F dargestellten Beispiel sind eine oder mehrere Lichtquellen 254 dazu ausgelegt, zu leuchten, wenn der Verschluss geschlossen ist (316A), so dass Licht von einer Lichtquelle 254 durch den Verschluss reflektiert werden kann, um das eine oder die mehreren Lichterfassungsarrays, die lichtempfindlichen Elementen 228 umfassen, zu beleuchten und dadurch zur Kalibrierung verwendet werden. In dem Beispiel können die zusätzlichen lichtempfindlichen Elemente 228 Licht von einem Bildmotiv oder Objekt abtasten, selbst wenn der Verschluss zur Kalibrierung geschlossen ist. In dem Beispiel von 25G ist der Verschluss offen, wodurch einfallendes Licht durch das eine oder die mehreren Lichterfassungsarrays detektiert werden können, die zur Kalibrierung verwendete lichtempfindliche Elemente 228 sowie zusätzliche lichtempfindliche Elemente 228 umfassen.
Wie mit Bezug auf die 19A und 19B erörtert, können interferenzbasierte Filter, wie etwa Fabry-Perot-Filter, empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel von einfallendem Licht sein. Der Einfallswinkel von Lichts, das durch einen interferenzbasierten Filter hindurchgeht, kann die spektrale Transmission der interferenzbasierten Filter definieren. In einem Beispiel kann das Ändern des Einfallswinkels zu einer Änderung der Mittenwellenlänge führen und sich die Breite des transmittierten Spektrums ändern. In einem Beispiel kann eine Änderung der Mittenwellenlänge aufgrund einer Änderung oder eines Unterschieds des Einfallswinkels verwendet werden, um das Spektrum von einfallendem Licht zu analysieren.
26A zeigt eine Seitenansicht eines Spektrometersystems, die Änderungen an gemessenen Mittenwellenlängen basierend auf dem Einfallswinkel von einfallendem Licht 130 illustriert. In dem Beispiel ist eine Gruppe oder ein Satz von lichtempfindlichen Elementen 228 unter einem einzelnen interferenzbasierten Filter (Spektralfilter 222) angeordnet, um ein Makropixel 400 zu bilden. In dem Beispiel ist die Gruppe von lichtempfindlichen Elementen 228 als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet, wobei der einzelne Spektralfilter 222 eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei die untere Fläche des Spektralfilters 222 die Gruppe von lichtempfindlichen Elementen 228. In einem Beispiel ist eine einzelne Öffnung (Gehäuseöffnung 212) mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche über dem einzelnen interferenzbasierten Filter angeordnet. In einem Beispiel definiert die Größe der einzelnen Öffnung und ihre Position relativ zu den einzelnen lichtempfindlichen Elementen in der Gruppe von lichtempfindlichen Elementen einen Einfallswinkel von einfallendem Licht relativ zu den einzelnen lichtempfindlichen Elementen. In einem Beispiel definiert der Einfallswinkel von einfallendem Licht das transmittierte Spektrum des einzelnen interferenzbasierten Filters in der Richtung jedes lichtempfindlichen Elements. Dementsprechend kann jedes lichtempfindliche Element der Gruppe von Lichterfassungselementen ein unterschiedliches Spektralprofil im Vergleich zu anderen Lichterfassungselementen der Gruppe von Lichterfassungselementen, die einen Makropixel umfasst, messen.
In einem konkreten Beispiel kann eine Ausgabe von verschiedenen Lichterfassungselementen einer Gruppe von Lichterfassungselementen, die einen Makropixel umfasst, verwendet werden, um verschiedene Spektralantworten zu messen, wobei die verschiedenen Spektralantworten zumindest teilweise auf verschiedene Mittenwellenlängen des Lichts zurückzuführen sind, das die verschiedenen Lichterfassungselemente erreicht. In einem Beispiel können die Spektralantworten, die aus den variierenden Mittenwellenlängen des Lichts resultieren, zu einem leicht modifizierten gemessenen Spektrum führen.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche, wobei ein oder mehrere Sätze von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet sind. Das Sensormodul umfasst ferner einen oder mehrere Interferenzfilter, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind, wobei die untere Fläche des einen oder der mehreren Interferenzfilter auf dem einen oder den mehreren Sätzen von lichtempfindlichen Elementen angeordnet ist und wobei jeder Interferenzfilter des einen oder der mehreren Interferenzfilter dazu eingerichtet ist, Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich durchzulassen. Jeder Interferenzfilter des einen oder der mehreren Interferenzfilter ist mit einem Satz des einen oder der mehreren Sätze von lichtempfindlichen Elementen verknüpft. Das Sensormodul umfasst ferner eine oder mehrere Öffnungen, die jeweils eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweisen, wobei die untere Fläche jeder Öffnung über einem Interferenzfilter des einen oder der mehreren Interferenzfilter angeordnet ist. In einem konkreten verwandten Beispiel weist jede der einen oder der mehreren Öffnungen eine zugehörige Breite und Tiefe auf, wobei die Breite und Tiefe der Öffnung zusammen einen Einfallswinkel von Licht definieren, das auf die obere Fläche des einen oder der mehreren Interferenzfilter trifft. In einem weiteren konkreten verwandten Beispiel kann die Position jedes lichtempfindlichen Elements des Satzes von lichtempfindlichen Elementen dazu ausgelegt sein, eine erhöhte spektrale Auflösung für das Sensormodul basierend auf dem Einfallswinkel von Licht, das auf jeden Interferenzfilter des einen oder der mehreren Interferenzfilter auftrifft, bereitzustellen.
26B zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems, die Änderungen an gemessenen Mittenwellenlängen basierend auf dem Einfallswinkel von einfallendem Licht illustriert. In einem Beispiel ist eine Öffnung, wie beispielsweise die Gehäuseöffnung 212, die mit Bezug auf 26A beschrieben wurde, relativ zur Mitte eines Makropixels versetzt. In einem Beispiel erweitert die versetzte Öffnung den Bereich von Winkeln für den Einfallswinkel von einfallendem Licht 130, das auf die lichtempfindlichen Elemente 228 der Gruppe von lichtempfindlichen Elementen 228, die den Makropixel umfassen, auftrifft. 26C zeigt eine Draufsicht einer in Bezug auf die Mitte eines Makropixels versetzten Öffnung. In einem Beispiel kann das Anordnen der Öffnung näher an einer Ecke eines Makropixels, der eine Gruppe von lichtempfindlichen Elementen umfasst, eine relativ gesehen breitere Verteilung der Einfallswinkel von einfallendem Licht 430 für die Gruppe von Lichterfassungselementen bereitstellen. Dies kann verwendet werden, um eine relativ gesehen breitere Spektralspreizung für das Messspektrum bereitzustellen, wie beispielsweise über 9 Subquadranten 431 des Makropixels.
26D zeigt eine Seitenansicht eines Spektralsensorsystems 420, die Makropixel 450 zeigt, die mit interferenzbasierten Filtern (Spektralfiltern 222A-222C) und Öffnungen verknüpft sind. In einem Beispiel sind Gruppen von Lichterfassungselementen, die Makropixel 450 in einem Spektrometersystem umfassen, mit einem Spektralfilter 222A, 222B oder 222C verknüpft, wobei jeder der Spektralfilter 222A -222C ein anderes Transmissionsprofil aufweist, und wobei jeder der 222A, 222B und 222C eine verknüpfte Öffnung zum Auffangen von einfallendem Licht 130 aufweist.
In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Substrat mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche, wobei eine Vielzahl von Sätzen von lichtempfindlichen Elementen auf der oberen Fläche des Substrats angeordnet ist. Das Sensormodul umfasst ferner eine Vielzahl von Interferenzfiltern, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind, wobei die untere Fläche der Vielzahl von Interferenzfiltern auf dem einen oder den mehreren Sätzen von lichtempfindlichen Elementen angeordnet ist und wobei jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet ist, Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich durchzulassen. Jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern ist mit einem Satz der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen verknüpft. Das Sensormodul umfasst ferner eine Vielzahl von Öffnungen, die jeweils eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweisen, wobei die untere Fläche jeder Öffnung der Vielzahl von Öffnungen über einem Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern angeordnet ist. In einem konkreten verwandten Beispiel weist jede Öffnung der Vielzahl von Öffnungen eine zugehörige Breite und Tiefe auf, wobei die Breite und Tiefe der Öffnung zusammen einen Einfallswinkel des Lichts, das auf die obere Fläche des einen oder der mehreren Interferenzfilter auftrifft, definieren. In einem anderen konkreten verwandten Beispiel sind zumindest einige Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern dazu eingerichtet, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen. In noch einem anderen konkreten verwandten Beispiel sind die Breite und Tiefe von zumindest einigen Öffnungen der Vielzahl von Öffnungen dazu eingerichtet, verschiedene Bereiche für Einfallswinkel des eingehendem Lichts bereitzustellen.
In einem konkreten verwandten Implementierungsbeispiel können unterschiedliche Öffnungen der Vielzahl von Öffnungen durch lichtundurchlässige Bereiche getrennt und/oder mit diesen verknüpft sein, wobei eine reflektierende Schicht auf der unteren Fläche der Öffnung in den lichtundurchlässigen Bereichen abgeschieden ist. In einem Beispiel kann Licht, das an der oberen Fläche eines Interferenzfilters der Vielzahl von Interferenzfiltern reflektiert wird, anschließend an der unteren Fläche der lichtundurchlässigen Bereiche reflektiert werden, bis es einen interferenzbasierten Filter mit den gewünschten Transmissionsparametern erreicht. In einem Beispiel ist jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern von benachbarten Interferenzfiltern durch einen Luftspalt getrennt. In einem alternativen Beispiel ist jeder Interferenzfilter der Vielzahl von Interferenzfiltern mit einem oder mehreren benachbarten Interferenzfiltern zusammenhängend.
26E zeigt eine Seitenansicht des beispielhaften Spektrometersystems aus 26D, die Lichtausbreitung mit reflektierenden Öffnungen illustriert. In dem Beispiel gehen zwei einfallende Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Mittenwellenlängen λ1 und λ2 durch die linke Öffnung. In dem Beispiel ist ein Spektralfilter 222A dazu ausgelegt, Licht mit Wellenlänge λ1 zu transmittieren und andere Wellenlängen zurückzuweisen; dadurch wird Licht mit Wellenlänge λ2 zurückgewiesen. In einem Beispiel wird durch Bereitstellen einer reflektierenden Fläche 230 auf der lichtundurchlässigen unteren Fläche zwischen der Vielzahl von Öffnungen zurückgewiesenes Licht reflektiert, bis es einen Spektralfilter 222B erreicht, der die Wellenlänge λ2 hindurchlässt.
26F zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems, die Makropixel zeigt, die mit interferenzbasierten Filtern und Öffnungen verknüpft sind. In dem Beispiel ist eine Vielzahl von Spektralfiltern 222 mit einem einzelnen Makropixel 470 und einer Gehäuseöffnung 212 verknüpft. In einem Beispiel kann der Einfallswinkel von einfallendem Licht 130, das durch die Gehäuseöffnung 212 hindurchgeht, kompensiert werden, indem einer der Spektralfilter 222 mit vorbestimmten Transmissionseigenschaften bereitgestellt wird. In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel umfasst ein Sensormodul ein Substrat 226 mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche, wobei eine Vielzahl von Sätzen von lichtempfindlichen Elementen 228 auf der oberen Fläche des Substrats 226 angeordnet ist. Das Sensormodul umfasst ferner eine Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern 222, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind, wobei die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von Spektralfiltern 222 auf dem einen oder den mehreren Sätzen von lichtempfindlichen Elementen 228 angeordnet ist und wobei jeder Spektralfilter 222 der Vielzahl von Spektralfiltern 222 dazu eingerichtet ist, Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich durchzulassen. In einem Beispiel ist jeder Spektralfilter 222 eines Satzes von Spektralfiltern 222 mit einem Satz von lichtempfindlichen Elementen 228 verknüpft. Das Sensormodul umfasst ferner eine Vielzahl von Gehäuseöffnungen 212, die jeweils eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweisen, wobei die untere Fläche jeder Gehäuseöffnung 212 der Vielzahl von Gehäuseöffnungen 212 über einem Satz von Spektralfiltern 222 angeordnet ist. In einem Beispiel werden die vorbestimmten Transmissionseigenschaften für zumindest einige der Spektralfilter 222 basierend auf Einfallswinkeln für Licht bestimmt, das durch eine Gehäuseöffnung 212 hindurchgeht, die mit diesen Spektralfiltern 222 und einem Mikropixel 470 verknüpft ist. In dem Beispiel werden die vorbestimmten Transmissionseigenschaften für die Spektralfilter 222 ferner bestimmt, um ausgewählte Einfallswinkel von Licht zu kompensieren, das durch die zugehörige Gehäuseöffnung 212 hindurchgeht.
26G zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems, die Makropixel zeigt, die mit interferenzbasierten Filtern und Öffnungen verknüpft sind. In dem Beispiel sind jeder einer Vielzahl von Makropixeln 450 und seine entsprechende Gehäuseöffnung 212 benachbart zueinander angeordnet und stellen ein Paar aus Makropixel 450 und Gehäuseöffnung 212 bereit. In einem Beispiel sind Spektralfilter 222 (wie etwa interferenzbasierte Filter), die mit einem Paar aus Makropixel 450 und Gehäuseöffnung 212 verknüpft sind, so angeordnet, dass lichtempfindliche Elemente 228 in einer Gruppe von lichtempfindlichen Elementen 228, die einen Makropixel 450 umfassen, Licht mit Einfallswinkeln empfangen können, die ausreichen, um mehr als eine Gehäuseöffnung 212 mit einem im Wesentlichen gleichen Einfallswinkel zu kreuzen. In einem konkreten Beispiel kann Licht mit ausreichenden Einfallswinkeln, das durch benachbarte Gehäuseöffnungen 212 hindurchgeht, an einem Spektralfilter 222 überlappen, der benachbarten Makropixeln 450 gemeinsam ist.
In einem Beispiel können winkelauswählende Elemente strukturiert sein, um verschiedene Arten von Steuerung für Licht, das durch eine Öffnung hindurchgeht, bereitzustellen. Beispielhafte Strukturen finden sich in den 12A bis 12F der US-Patentanmeldung 17/007,254 , die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
26H und 26I zeigen Seitenansichten eines Spektrometersystems, die die Verwendung einer Linse zur Steuerung des Einfallswinkels beim Auftreffen auf einem Makropixel zeigen. In dem Beispiel von 26H weist eine Gehäuseöffnung 212 mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche eine Linse (Mikrolinse 462) mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche auf, die mit der unteren Fläche der Mikrolinse 462 direkt auf der oberen Fläche der Gehäuseöffnung 212 angeordnet ist, wobei die untere Fläche der Öffnung einem oder mehreren Makropixeln zugewandt ist. In einem Beispiel ist die obere Fläche der Mikrolinse 462 dazu ausgelegt, einen Einfallswinkel von einfallendem Licht 130 auf einem einzelnen Spektralfilter 222 des Makropixels 452 zu verengen. In dem Beispiel aus 26I ist die obere Fläche der Mikrolinse 462 dazu ausgelegt, einen Einfallswinkel von einfallendem Licht auf einem Satz von Spektralfiltern 222, die mit dem Makropixel 452 verknüpft sind, zu verengen.
In dem Beispiel können eine oder mehrere Linsen verwendet werden, um einfallende Lichtstrahlen, die aus großen Winkeln in der Richtung senkrecht zur Oberfläche eines Bildsensors mit Makropixeln kommen, umzulenken, wodurch ein im Wesentlichen kollimierter Strahl erzeugt wird. In einem konkreten Implementierungs- und Betriebsbeispiel, unter Verweis auf 1, weist ein Gehäuse 16 mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen auf, wobei die obere Fläche eine Gehäuseöffnung 12 aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden. In einem Beispiel sind eine oder mehrere Linsen auf der Gehäuseöffnung 12 angeordnet, wobei die eine oder die mehreren Linsen dazu ausgelegt sind, einfallendes Licht in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zur oberen Fläche des Gehäuses 16 umzulenken.
In einem Beispiel ist ein Substrat 26 mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen oberen Fläche innerhalb des Hohlraums des Gehäuses 16 angeordnet, wobei die untere Fläche des Substrats 26 mit der unteren Fläche des Gehäuses 16 gekoppelt ist und ein oder mehrere Sätze von lichtempfindlichen Elementen 28 auf der oberen Fläche des Substrats 26 angeordnet sind. In dem Beispiel ist eine Vielzahl von Sätzen von Interferenzfiltern mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche auf der Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen 28 angeordnet.
26J zeigt eine Seitenansicht eines Spektrometersystems, die die Verwendung von Mikrolinsen zur Steuerung des Einfallswinkels beim Auftreffen auf einem Makropixel zeigt. In einem Beispiel sind eine Vielzahl von Makropixeln 452 mit einer Vielzahl von Gehäuseöffnungen 212 verknüpft, um Paare aus Makropixel 452 und Gehäuseöffnung 212 zu erzeugen, wobei ein Array von Mikrolinsen 462 so ausgelegt ist, dass jede Mikrolinse 462 des Arrays mit einer Gehäuseöffnung 212 eines Paars aus Makropixel 452 und Gehäuseöffnung 212 verknüpft ist.
26K zeigt eine Seitenansicht eines weiteren Spektrometersystems, die die Verwendung von Mikrolinsen zur Steuerung des Einfallswinkels beim Auftreffen auf einem Makropixel zeigt. In einem Beispiel sind eine Vielzahl von Makropixeln 450 mit einer Vielzahl von Gehäuseöffnungen 212 verknüpft, um eine Vielzahl von Paaren aus Makropixel 450 und Gehäuseöffnung 212 zu erzeugen. In dem Beispiel ist jede Gehäuseöffnung 212 ferner mit einer Mikrolinse 462 verknüpft, so dass der Einfallswinkel von Licht, das durch die Gehäuseöffnung 212 hindurchgeht, Einfallswinkel umfasst, die ausreichen, um zu benachbarten Paaren aus Makropixel 450 und Gehäuseöffnung 212 zu gelangen. In einem Beispiel können einzelne lichtempfindliche Elemente 228 an einer Grenze einer Gruppe von lichtempfindlichen Elementen 228, die einen Makropixel 450 umfassen, Licht empfangen, das von einem benachbarten Paar aus Makropixel 450 und Gehäuseöffnung 212 kreuzt. In einem Beispiel kann Licht mit einem im Wesentlichen gleichen Einfallswinkel durch lichtempfindliche Elemente 228 an der Grenze von zwei benachbarten Makropixeln 450 detektiert werden.
Es wird angemerkt, dass Begrifflichkeiten, wie sie hierin verwendet werden können, wie etwa Bitstrom, Strom/Stream, Signalsequenz usw. (oder ihre Äquivalente) austauschbar verwendet werden, um digitale Informationen zu beschreiben, deren Inhalt einem beliebigen einer Anzahl von gewünschten Typen entspricht (z. B. Daten, Video, Sprache, Text, Grafik, Audio usw., von denen jedes allgemein als „Daten“ bezeichnet werden kann).
Die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ wie sie hierin verwendet werden können erlauben eine industrieübliche Toleranz für ihren entsprechenden Begriff und/oder eine Abweichung zwischen Elementen. Für einige Industrien beträgt eine industrieübliche Toleranz weniger als ein Prozent und für andere Industrien beträgt die industrieübliche Toleranz 10 Prozent oder mehr. Andere Beispiele für industrieübliche Toleranz reichen von weniger als einem Prozent bis zu fünfzig Prozent. Industrieübliche Toleranzen entsprechen, sind aber nicht darauf beschränkt, Komponentenwerten, Prozessschwankungen bei integrierten Schaltungen, Temperaturschwankungen, Anstiegs- und Abfallzeiten, thermischem Rauschen, Abmessungen, Signalisierungsfehlern, fallengelassenen Paketen, Temperaturen, Drücken, Materialzusammensetzungen und/oder Leistungsmetriken. Innerhalb einer Industrie können Toleranzabweichungen von üblichen Toleranzen mehr oder weniger als ein Prozentwert sein (z. B. Abmessungstoleranz von weniger als +/-1 %). Einige Abweichungen zwischen Elementen können von einem Unterschied von weniger als einem Prozentwert bis zu einigen Prozent reichen. Andere Abweichungen zwischen Elementen können von einem Unterschied von einigen Prozent bis zu Größenordnungen an Unterschieden reichen.
Zudem umfassen der/die Begriff(e) „dazu eingerichtet“, „funktionsmäßig gekoppelt mit“, „gekoppelt mit“ und/oder „Kopplung“ wie sie hierin verwendet werden können eine direkte Kopplung zwischen Elementen und/oder eine indirekte Kopplung zwischen Elementen über ein dazwischenliegendes Element (ein Element umfasst z.B., ist aber nicht darauf beschränkt, eine Komponente, ein Element, eine Schaltung und/oder ein Modul), wobei als ein Beispiel einer indirekten Kopplung das dazwischenliegende Element die Informationen eines Signals nicht modifiziert, aber seinen Strompegel, Spannungspegel und/oder Leistungspegel anpassen kann. Eine abgeleitete Kopplung (d.h., wenn ein Element durch Ableitung mit einem anderen Element gekoppelt ist) wie sie hierin ferner verwendet werden kann umfasst eine direkte und eine indirekte Kopplung zwischen zwei Elementen in der gleichen Weise wie „gekoppelt mit“.
Außerdem gibt der Begriff „dazu eingerichtet“, „dazu bedienbar“, „gekoppelt mit“ oder „funktionsmäßig gekoppelt mit“ wie er hierin verwendet werden kann an, dass ein Element eine oder mehrere von Leistungsverbindungen, Eingang/Eingängen, Ausgang/Ausgängen usw. umfasst, um, wenn aktiviert, eine oder mehrere seiner entsprechenden Funktionen auszuführen, und kann ferner eine abgeleitete Kopplung mit einem oder mehreren anderen Elementen umfassen. Außerdem umfasst der Begriff „verknüpft mit“, wie er hierin verwendet werden kann, eine direkte und/oder indirekte Kopplung separater Elemente und/oder dass ein Element in einem anderen Element eingebettet ist.
Der Begriff „vorteilhaft im Vergleich“, wie er hierin verwendet werden kann, gibt an, dass ein Vergleich zwischen zwei oder mehr Elementen, Signalen usw. eine gewünschte Beziehung bereitstellt. Wenn beispielsweise die gewünschte Beziehung ist, dass das Signal 1 eine größeren Größe als das Signal 2 aufweist, kann ein vorteilhafter Vergleich erreicht werden, wenn die Größe des Signals 1 größer als die des Signals 2 ist oder wenn die Größe des Signals 2 kleiner als die des Signals 1 ist. Der Begriff „unvorteilhaft im Vergleich“, wie er hierin verwendet werden kann, gibt an, dass ein Vergleich zwischen zwei oder mehr Elementen, Signalen usw. die gewünschte Beziehung nicht bereitstellt.
Wie hierin verwendet werden kann, können ein oder mehrere Ansprüche in einer spezifischen Form von dieser generischen Form den Ausdruck „mindestens eines von a, b und c“ oder von dieser generischen Form „mindestens eines von a, b oder c“ mit mehr oder weniger Elementen als „a“, „b“ und „c“ beinhalten. In beiden Formulierungen sind die Ausdrücke identisch zu interpretieren. Insbesondere ist „mindestens eines von a, b und c“ äquivalent zu „mindestens eines von a, b oder c“ und soll a, b und/oder c bedeuten. Als ein Beispiel bedeutet es: nur „a“, nur „b“, nur „c“, „a“ und „b“, „a“ und „c“, „b“ und „c“ und/oder „a“, „b“ und „c“.
Wie ebenfalls hierin verwendet werden kann, können die Begriffe „Verarbeitungsmodul“ (processing module), „Verarbeitungsschaltung“ (processing circuit), „Prozessor“, „Verarbeitungsschaltung“ (processing circuitry) und/oder „Verarbeitungseinheit“ (processing unit) eine einzelne Verarbeitungsvorrichtung (processing device) oder eine Vielzahl von Verarbeitungsvorrichtungen sein. Eine solche Verarbeitungsvorrichtung kann ein Mikroprozessor, eine Mikrocontroller, ein digitaler Signalprozessor, ein Mikrocomputer, eine zentrale Recheneinheit (central processing unit), ein feldprogrammierbares Gate-Array (field programmable gate array), eine programmierbare Logikvorrichtung, ein Zustandsautomat (state machine), eine Logikschaltung, eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung und/oder eine beliebige Vorrichtung sein, die Signale (analog und/oder digital) basierend auf einer harten Codierung der Schaltung und/oder Betriebsanweisungen manipuliert. Das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung (processing circuit/circuitry) und/oder die Verarbeitungseinheit können ein Speicher und/oder ein integriertes Speicherelement sein oder umfassen, das eine einzelne Speichervorrichtung, eine Vielzahl von Speichervorrichtungen und/oder eine eingebettete Schaltung eines anderen Verarbeitungsmoduls, Moduls, einer Verarbeitungsschaltung und/oder Verarbeitungseinheit sein kann. Eine solche Speichervorrichtung kann ein Read-Only-Speicher, ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff (random access memory), ein flüchtiger Speicher, ein nichtflüchtiger Speicher, ein statischer Speicher, ein dynamischer Speicher, ein Flash-Speicher, ein Cache-Speicher und/oder eine beliebige Vorrichtung sein, die digitale Informationen speichert. Es ist zu beachten, dass, wenn das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung und/oder die Verarbeitungseinheit mehr als eine Verarbeitungsvorrichtung umfassen, die Verarbeitungsvorrichtungen zentral angeordnet sein können (z. B. über eine drahtgebundene und/oder drahtlose Busstruktur direkt miteinander gekoppelt) oder verteilt angeordnet sein können (z. B. Cloud-Computing über indirekte Kopplung über ein lokales Netzwerk (local area network) und/oder ein Wide-Area-Netzwerk). Es ist ferner zu beachten, dass, wenn das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung und/oder die Verarbeitungseinheit eine oder mehrere ihrer Funktionen über einen Zustandsautomaten, eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung und/oder eine Logikschaltung implementiert, der Speicher und/oder das Speicherelement, der bzw. das die entsprechenden Betriebsanweisungen speichert, innerhalb der Schaltung eingebettet oder außerhalb der Schaltung sein kann, die den Zustandsautomaten, die analoge Schaltung, die digitale Schaltung und/oder die Logikschaltung umfasst. Es ist ferner zu beachten, dass das Speicherelement fest codierte und/oder Betriebsanweisungen, die mindestens einigen der Schritte und/oder Funktionen entsprechen, die in einer oder mehreren der Figuren dargestellt sind, speichern kann und dass das Verarbeitungsmodul, das Modul, die Verarbeitungsschaltung und/oder die Verarbeitungseinheit diese ausführt. Eine solche Speichervorrichtung oder ein solches Speicherelement kann in einem Herstellungsgegenstand enthalten sein.
Eine oder mehrere Ausführungsformen wurden oben mit Hilfe von Verfahrensschritten beschrieben, die die Leistung von spezifizierten Funktionen und Beziehungen davon veranschaulichen. Die Grenzen und die Abfolge dieser funktionellen Bausteine und Verfahrensschritte wurden hierin zur Vereinfachung der Beschreibung willkürlich definiert. Alternative Grenzen und Abfolgen können definiert werden, solange die spezifizierten Funktionen und Beziehungen angemessen ausgeführt werden. Alle derartigen alternativen Grenzen oder Abfolgen liegen somit innerhalb des Umfangs und des Geists der Ansprüche. Ferner wurden die Grenzen dieser funktionellen Bausteine zur Vereinfachung der Beschreibung willkürlich definiert. Alternative Grenzen könnten definiert werden, solange die bestimmten signifikanten Funktionen angemessen ausgeführt werden. In ähnlicher Weise können auch Flussdiagrammblöcke hierin willkürlich definiert worden sein, um eine bestimmte signifikante Funktionalität zu veranschaulichen.
Im verwendeten Umfang könnten die Flussdiagrammblockgrenzen und die Abfolge in anderer Weise definiert worden sein und dennoch die bestimmte signifikante Funktionalität ausführen. Derartige alternative Definitionen sowohl funktioneller Bausteine als auch Flussdiagrammblöcke und -abfolgen liegen somit innerhalb des Umfangs und des Geists der Ansprüche. Ein Durchschnittsfachmann wird auch erkennen, dass die funktionellen Bausteine und andere veranschaulichende Blöcke, Module und Komponenten hierin wie veranschaulicht oder durch diskrete Komponenten, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (application specific integrated circuits), Prozessoren, die geeignete Software ausführen, und dergleichen oder eine beliebige Kombination davon implementiert werden können.
Zusätzlich kann ein Flussdiagramm eine „Start“- und/oder „Fortsetzen“-Angabe beinhalten. Die „Start“- und „Fortsetzen“-Angaben spiegeln wider, dass die dargestellten Schritte optional in eine oder mehrere andere Routinen integriert oder anderweitig in Verbindung damit verwendet werden können. Zusätzlich kann ein Flussdiagramm eine „Ende“- und/oder „Fortsetzen“-Angabe beinhalten. Die „Ende“- und/oder „Fortsetzen“-Angaben spiegeln wider, dass die dargestellten Schritte wie beschrieben und gezeigt enden können oder optional in eine oder mehrere andere Routinen integriert oder anderweitig in Verbindung damit verwendet werden können. In diesem Zusammenhang gibt „Start“ den Beginn des ersten dargestellten Schritts an und können andere Aktivitäten vorausgehen, die nicht speziell gezeigt sind. Ferner spiegelt die „Fortsetzen“-Angabe wider, dass die dargestellten Schritte mehrere Male ausgeführt werden können und/oder andere Aktivitäten folgen können, die nicht speziell gezeigt sind. Ferner sind, während ein Flussdiagramm eine bestimmte Reihenfolge von Schritten angibt, andere Reihenfolgen ebenfalls möglich, vorausgesetzt, dass die Prinzipien der Kausalität beibehalten werden.
Die eine oder mehreren Ausführungsformen werden hierin verwendet, um einen oder mehrere Aspekte, ein oder mehrere Merkmale, ein oder mehrere Konzepte und/oder ein oder mehrere Beispiele zu veranschaulichen. Eine physische Ausführungsform einer Vorrichtung, eines Herstellungsgegenstands, einer Maschine und/oder eines Verfahrens kann einen oder mehrere der Aspekte, Merkmale, Konzepte, Beispiele usw. umfassen, die mit Bezug auf eine oder mehrere der hierin erörterten Ausführungsformen beschrieben sind. Ferner können die Ausführungsformen von Figur zu Figur die gleichen oder ähnlich benannten Funktionen, Schritte, Module usw. enthalten, die die gleichen oder unterschiedliche Bezugsnummern verwenden können, und als solche können die Funktionen, Schritte, Module usw. die gleichen oder ähnliche Funktionen, Schritte, Module usw. oder unterschiedliche sein.
Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, können Signale zu, von und/oder zwischen Elementen in einer Figur einer der hierin dargestellten Figuren analog oder digital, zeitkontinuierlich oder zeitdiskret und einseitig oder differentiell sein. Wenn beispielsweise ein Signalpfad als ein einseitiger Pfad dargestellt ist, stellt er auch einen differentiellen Signalpfad dar. In ähnlicher Weise stellt ein Signalpfad, wenn er als ein differentieller Pfad dargestellt ist, auch einen einseitigen Signalpfad dar. Während eine oder mehrere bestimmte Architekturen hierin beschrieben sind, können andere Architekturen ebenfalls implementiert werden, die einen oder mehrere Datenbusse verwenden, die nicht ausdrücklich dargestellt sind, eine direkte Konnektivität zwischen Elementen und/oder eine indirekte Kopplung zwischen anderen Elementen, wie sie von einem Durchschnittsfachmann erkannt werden.
Der Begriff „Modul“ wird in der Beschreibung einer oder mehrerer der Ausführungsformen verwendet. Ein Modul implementiert eine oder mehrere Funktionen mittels einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines Prozessors oder einer anderen Verarbeitungsvorrichtung oder anderer Hardware, die einen Speicher, der Betriebsanweisungen speichert, umfassen oder in Verbindung mit diesem arbeiten kann. Ein Modul kann unabhängig und/oder in Verbindung mit Software und/oder Firmware arbeiten. Wie ebenfalls hierin verwendet, kann ein Modul ein oder mehrere Untermodule enthalten, von denen jedes ein oder mehrere Module sein kann.
Wie weiter hierin verwendet werden kann, umfasst ein computerlesbarer Speicher ein oder mehrere Speicherelemente. Ein Speicherelement kann eine separate Speichervorrichtung, mehrere Speichervorrichtungen oder ein Satz von Speicherstellen innerhalb einer Speichervorrichtung sein. Eine solche Speichervorrichtung kann ein Read-Only-Speicher, ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff (random access memory), ein flüchtiger Speicher, ein nichtflüchtiger Speicher, ein statischer Speicher, ein dynamischer Speicher, ein Flash-Speicher, ein Cache-Speicher und/oder eine beliebige Vorrichtung sein, die digitale Informationen speichert. Die Speichervorrichtung kann in einer Form eines Festkörperspeichers (solid-state memory), eines Festplattenspeichers, eines Cloud-Speichers, eines Thumb-Drives, eines Serverspeichers, eines Computervorrichtungsspeichers und/oder eines anderen physischen Mediums zum Speichern digitaler Informationen sein.
Während bestimmte Kombinationen von verschiedenen Funktionen und Merkmalen der einen oder der mehreren Ausführungsformen hierin ausdrücklich beschrieben wurden, sind andere Kombinationen dieser Merkmale und Funktionen ebenfalls möglich. Die vorliegende Offenbarung ist nicht durch die hierin offenbarten bestimmten Beispiele eingeschränkt und schließt diese anderen Kombinationen ausdrücklich ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 17007254 [0104, 0161]

Claims

Sensorsystem, umfassend: eine Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, die in einer Schicht angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; eine Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern, die in einer Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche angeordnet sind, wobei die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern nahe der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren angeordnet ist, wobei ein Satz von optischen Filtern der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern eine Vielzahl von optischen Filtern umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei einige optische Filter der Vielzahl von optischen Filtern dazu eingerichtet sind, Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen; einen oder mehrere Sperrfilter, die als eine Schicht mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche ausgebildet sind; einen ersten Satz von optischen Elementen mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche; wobei der eine oder die mehreren Sperrfilter und der erste Satz von optischen Elementen in einem Stapel angeordnet sind, wobei der Stapel über der oberen Schicht der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern angeordnet ist; und ein oder mehrere Verarbeitungsmodule, wobei das eine oder die mehreren Verarbeitungsmodule dazu eingerichtet sind, eine Ausgabe von jedem optischen Sensor der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren zu empfangen, wobei das eine oder die mehreren Verarbeitungsmodule ferner dazu eingerichtet sind, eine Spektralantwort basierend auf der Ausgabe zu erzeugen.
Sensorsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein oder mehrere Zerstreuungselemente mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche, wobei der eine oder die mehreren Sperrfilter und der erste Satz von optischen Elementen in einem Stapel mit dem einen oder den mehreren Zerstreuungselementen angeordnet sind, wobei der Stapel über der oberen Schicht der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorsystem ferner einen zweiten Satz von optischen Elementen mit einer zugehörigen oberen Fläche und einer zugehörigen unteren Fläche umfasst, wobei die untere Fläche des zweiten Satzes von optischen Elementen auf dem ersten Satz von optischen Elementen angeordnet ist, wobei vorzugsweise mindestens ein optisches Element des zweiten Satzes von optischen Elementen aus einer Gruppe umfassend eine Lochblende, eine Linse, eine Aperturblende, eine Fotoblende, eine Metalinse, eine planare Linse, ein dispersives Element und einen Linsenstapel ausgewählt ist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von optischen Filtern Interferenzfilter umfasst.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Sperrfilter des einen oder der mehreren Sperrfilter dazu ausgelegt ist, Lichtwellenlängen außerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs durch den Sperrfilter zu beschränken.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein optisches Element des ersten Satzes von optischen Elementen aus einer Gruppe ausgewählt ist, die umfasst: eine Aperturblende, eine Linse, ein dispersives Element, eine faseroptische Platte, eine Lochblende, eine Mikrolinse, ein Mikrogitter, eine nanoskalige Linse und eine Vielzahl von Ablenkplatten, wobei sich jede Ablenkplatte der Vielzahl von Ablenkplatten einfallend zu der zugehörigen unteren Fläche des ersten Satzes von optischen Elementen erstreckt.
Sensorsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Behältnis mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die obere Fläche eine Behältnisöffnung aufweist, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden; wobei mindestens die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern und der erste Satz optischer Elemente innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.
Sensorsystem nach Anspruch 7; wobei die untere Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren nahe der unteren Fläche des Behältnisses angeordnet ist, oder wobei die untere Fläche des einen oder der mehreren Verarbeitungsmodule nahe der unteren Fläche des Behältnisses angeordnet ist, oder wobei ein im Wesentlichen transparentes Material zumindest teilweise innerhalb der Behältnisöffnung angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend: ein oder mehrere Zerstreuungselemente, wobei mindestens einer/eines von dem einen oder den mehreren Sperrfiltern, einen oder mehreren Zerstreuungselemente und einen oder mehreren optischen Elementen eines zweiten Satzes von optischen Elementen teilweise innerhalb der Behältnisöffnung angeordnet ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei mindestens ein Teil der zugehörigen oberen Fläche, der Vielzahl von Seitenflächen und der unteren Fläche des Behältnisses dazu ausgelegt sind, Licht, das in den Hohlraum eintritt, zu reflektieren und/oder ferner umfassend: ein Behältnis mit einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, die eine Behältnisöffnung bilden, wobei die obere Fläche, die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche einen Hohlraum bilden; wobei mindestens die Vielzahl von Sätzen von optischen Sensoren, die Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern und der erste Satz von optischen Elementen innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Sensorsystems, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden eines Arrays von optischen Sensoren auf einer integrierten Schaltung, wobei das Array von optischen Sensoren eine zugehörige obere Fläche aufweist; Ausbilden einer Vielzahl von optischen Filtern, die eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei die untere Fläche der Vielzahl von optischen Filtern nahe der oberen Fläche des Arrays von optischen Sensoren angeordnet ist; Ausbilden eines Sperrfilters, der eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; Ausbilden eines ersten Satzes von optischen Elementen, der eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; Anordnen des Sperrfilters und des ersten Satzes von optischen Elementen in einem Stapel, der eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; und Platzieren der unteren Fläche des Stapels auf der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern. Koppeln des Arrays von optischen Sensoren mit einem oder mehreren Verarbeitungsmodulen, wobei das eine oder die mehreren Verarbeitungsmodule auf einem Substrat angeordnet sind, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist, wobei das Substrat dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere elektrische Verbindungen bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Ausbilden eines Zerstreuungselements, das eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; Anordnen des Sperrfilters, des ersten Satzes von optischen Elementen und des Zerstreuungselements in einem Stapel, der eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; und Platzieren der unteren Fläche des Stapels auf der oberen Fläche der Vielzahl von Sätzen von optischen Filtern.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Ausbilden eines zweiten Satzes von optischen Elementen, der eine zugehörige obere Fläche und eine zugehörige untere Fläche aufweist; und Platzieren der unteren Fläche des zweiten Satzes von optischen Elementen auf der oberen Fläche des Stapels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Sperrfilter eine Vielzahl von Sperrfilterelementen aufweist, wobei das Zerstreuungselement vorzugsweise eine Vielzahl von Zerstreuungs-Unterelementen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Ausbilden eines Behältnisses mit einer zugehörigen oberen Fläche, einer zugehörigen unteren Fläche und einer zugehörigen Vielzahl von Seitenflächen, wobei die Vielzahl von Seitenflächen und die untere Fläche des Behältnisses einen Hohlraum bilden, wobei die obere Fläche eine Öffnung zu dem Hohlraum aufweist; und Platzieren der integrierten Schaltung und der Vielzahl von optischen Filtern innerhalb des Hohlraums.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: Platzieren der unteren Fläche des Substrats auf der unteren Fläche des Behältnisses, und/oder ferner umfassend: Ausbilden einer reflektierenden Fläche auf mindestens einem Teil der oberen Fläche, der Vielzahl von Seitenflächen und der unteren Fläche, wobei die reflektierende Fläche dazu ausgelegt ist, Licht, das in den Hohlraum eintritt, zu reflektieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die optischen Filter Interferenzfilter sind, oder Fabry-Perot-Filter, und/oder wobei das Array von optischen Sensoren auf einer Rückseite der integrierten Schaltung ausgebildet wird.